FILTER PACK CONTAINING COCONUT HUSK

MASSIF DE FILTRATION A BASE D'EXOCARPE DE COCO

Description

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MASSIF DE FILTRATION Ä BASE D'EXOCARPE DE COCO
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention vise de façon générale le domaine du traitement des
eaux.
Plus spécifiquement, elle concerne l'utilisation de résidus de mésocarpes de
coco
(Cocos spp, notamment Cocos nucifera) pour le traitement des eaux,
particulièrement la biofiltration des eaux usées domestiques.
ART ANTÉRIEUR
Utilisation de la noix de coco
L'exocarpe qui entoure la noix de coco est formé d'un épiderme mince et lisse,
l'épicarpe qui recouvre le mésocarpe formé de fibres ligneuses solidarisées à
du
tissu de réserve parenchymateux (figure 1 ). Selon les études sur le sujet,
une bourre
de coco pèse en moyenne 227 g et contient 34 % de parenchyme, 47 % de fibres
et 19 % d'épicarpe sur une base poids sec.
2 0 Actuellement, l'industrie du coco repose principalement sur l'exploitation
de l'amande
oléagineuse, endosperme, contenue dans le noyau ou l'endocarpe. Cette amande
est souvent utilisée pour des fins alimentaires ou de production d'huile de
coprah à
usages spécifiques. Par ailleurs, la fibre du mésocarpe entourant la noix peut
faire
l'objet d'une activité industrielle dans certains pays producteurs d'Asie. Ces
fibres
2 5 servent à la confection d'articles tissés ou tressés, de produits de
rembourrage, etc.
L'extraction de la fibre, sèche ou détrempée selon le procédé, implique en
tout ou
en partie des étapes d'écrasement, de broyage, de cardage et de tamisage. II
en
résulte des fibres propres de longueurs et de qualités diverses débarrassées
du
parenchyme les enrobant. Celui-ci forme un déchet constitué de poussières et
de
3o particules pouvant atteindre des diamètres de 2 à 3 mm. Souvent, ce déchet
est
brûlé en pure perte.

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II est déjà connu cependant dans le domaine de l'horticulture d'utiliser ce
déchet
pour la production de substrat horticole. II est à noter que dans les pays où
il n'y a
pas de production de fibres, la bourre dans sa totalité constitue un déchet
qui doit
ëtre brûlé.
Depuis quelques années, certaines petites industries découpent et broient la
bourre
de coco pour produire des sections de fibres enrobées de parenchyme formant
une
masse solidarisée de dimension donnée (figure 2). Ces particules de parenchyme
et de fibres servent à la production de substrats horticoles spécialisés
destinés, entre
1 o autres, à la production d'orchidées. Le découpage des bourres se fait de
façon plus
ou moins artisanales. Le brevet français 2 692 833 décrit divers principes et
procédés permettant de produire des fragments de bourre formés de fibres et de
parenchyme solidarisés. La pratique a montré qu'il est difficile d'obtenir des
particules de fibres et de parenchyme solidarisés inférieures à 3 rnm. La
résistance
naturelle des fibres provoque un éclatement des particules, désolidarisant par
le fait
même les fibres et le parenchyme, lorsque l'on tente de les découper ou de les
broyer à des dimensions inférieures à 3 mm.
Traitement des eaux
Dans le domaine du traitement des eaux, l'utilisation de biofiltres ou filtres
est bien
connue. La forme la plus répandue pour le traitement des eaux usées
domestiques
consiste en un lit filtrant d'une hauteur donnée composé de matériels poreux
alimenté, en surface, par un système de distribution de l'effluent à traiter.
Le
2 5 matériel de garnissage choisi permet de retenir la matière particulaire et
de fixer les
micro-organismes responsables de l'oxydation, entre autres, des matières
carbonées
et azotées. Pour remplir adéquatement ces fonctions dans un contexte de
produit
industriel commercialisable, le matériel de garnissage idéal doit rencontrer
différentes caractéristiques qui, à ce jour, ne se rencontrent pas dans un
seul et
même matériel. Les principales caractéristiques recherchées sont présentées
sommairement ci-dessous.

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1 ) Le matériel doit être stable face à l'action érosive, à long terme, de
l'eau
percolant dans le massif et face à la dégradation biologique associée à
l'action des
différentes populations microbiennes s'y développant.
2) Ce même matériel doit être léger ou de faible densité et compressible pour
réduire les coûts de transport.
3) Dans la même optique, le matériel compressé doit posséder une résilience
intrinsèque élevée lui permettant de réoccuper son volume initial suite à un
foisonnement. Cette même caractéristique évite également les problèmes de
ravinement ou de compaction du massif filtrant résultant de la dissipation
d'énergie
liée à la percolation de l'eau dans le système en opération.
4) Les caractéristiques physiques et chimiques du matériel doivent également
favoriser une adhésion ou une colonisation des micro-organismes.
5) Ces mêmes caractéristiques doivent assurer une bonne hydrophilicité du
massif permettant une meilleure efficacité lors de la mise en eau initiale du
système
ou après une période d'arrêt plus ou moins longue.
6) Le matériel retenu doit pouvoir être disponible sous différentes
granulométries
afin de pouvoir piloter la porométrie du massif filtrant et, de là, ses
principales
caractéristiques hydrodynamiques (notamment rétentions gazeuses et liquides).
7) Le matériel retenu doit présenter une porosité intrinsèque favorisant la
2o rétention d'eau capillaire ou statique. D'une part, ce type de rétention
permet une
meilleure stabilité du système lorsque les débits à traiter varient sur de
courtes
périodes ou lorsque les conditions d'opération impliquent de nombreuses
périodes
sans alimentation en eau. Situation caractéristique de l'assainissement
autonome.
D'autre part, la présence d'une rétention d'eau capillaire maximise le temps-
séjour
2 5 des contaminants dissous dans la phase liquide lorsque celle-ci présente
des
vitesses de percolation favorisant les échanges entre les rétentions liquides
capillaire
et dynamique.
8) Les espaces ou lacunes du massif filtrant, sièges des rétentions liquide ou
gazeuse dynamiques ne doivent pas présenter un degré de sinuosité ou
tortuosité
3o trop élevé afin de maximiser le transfert d'oxygène dans la phase gazeuse.
La
capacité oxydante du système est directement proportionnelle à cette capacité
de
transfert.

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9) La production du matériel retenu doit être la plus économique possible tout
en minimisant la production de résidus ou déchets.
10) Dans un contexte de développement durable, le matériel retenu doit être
naturel, renouvelable et faire l'objet d'une revalorisation suite à son
utilisation comme
massif filtrant.
Les différents matériels utilisés à ce jour pour le garnissage de filtres
dédiés au
traitement des eaux usées possèdent certaines des caractéristiques décrites ci-
haut
mais aucun ne rencontre adéquatement l'ensemble. Une analyse sommaire de ces
1o matériels permet de mettre en lumière les faiblesses ou les principaux
points
d'achoppement.
Le sable est le matériel le plus largement utilisé pour la construction, sur
place, de
filtres pour le traitement des eaux usées domestiques lorsque le sol naturel
est
incompatible avec un épandage direct de l'effluent à traiter. Son poids, ou sa
densité élevée, ainsi qu'une latitude restreinte en terme de granulométrie
limitent
grandement l'utilisation du sable pour le développement d'un produit
industriel
commercialisable à grande échelle. Notamment pour des raisons de transport. De
plus, la faible rétention d'eau capillaire résultant de l'absence de porosité
intrinsèque
2 0 en font un matériel sensible aux variations de taux de charge hydraulique
appliqué.
II existe des variantes minérales du filtre à sable tentant de contourner
certaines des
restrictions associées au sable. Le filtre à base de perlite (brevet français)
expansée
en est un bon exemple. La friabilité du matériel vient annihiler les gains
effectués
2 5 en terme de légèreté et de porosité intrinsèque. Le même constat prévaut
pour le
filtre à zéolithe (Éparco) qui lui se bute à des coûts excessifs du matériel.
II existe aussi les biofiltres à base de tourbe (brevet PTE, brevet Borda
Mona) qui
présentent de nombreux avantages par rapport aux filtres à sable. Par contre,
la
3 o faible résilience de la tourbe, sa stabilité réduite et son hydrophilicité
limitée affectent
les capacités et la durée de vie d'un massif filtrant à base de tourbe.

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La combinaison de la tourbe à des matériaux synthétiques comme les géotextiles
dans une configuration verticale (brevet PTE) permet de surpasser certaines
des
limites décrites ci-haut. Par contre, ces gains impliquent des augmentations
significatives des coûts de fabrication et des restrictions en terme de
revalorisation
des massifs usés. De plus, l'impossibilité de compresser le matériel neuf peut
augmenter les coûts de distribution du système selon les taux de charge
hydrauliques applicables. Les biofiltres 100% à base de textile (Réactex ou
Advantex) ou de mousse de polyuréthanne (Aerocell) se butent également à des
restrictions de coûts et de revalorisation.
Bien que divers types de filtre et biofiltre sont déjà connus dans le domaine
du
traitement des eaux, il existe toujours un besoin pour un filtre ou un
biofiltre composé
d'un matériel de remplissage optimal qui pourra rencontrer la majorité, sinon
chacune, des caractéristiques recherchées décrites ci-dessus.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
Un des objets de la présente invention est de proposer un filtre pour le
traitement
des eaux qui satisfait ce besoin.
Selon la présente invention, cet objectif est rencontré avec un filtre à base
de
fragments d'exocarpe formés de fibres et de particules parenchymateuses
solidarisées, en combinaison ou non avec d'autres matériaux, les particules
parenchymateuses enrobant les fibres. De tels fragments d'exocarpe constituent
une
alternative intéressante pour le garnissage de filtres non saturés utilisés
pour le
traitement de liquides contaminés. II est â noter que l'on peut aussi
rencontrer dans
un filtre selon l'invention des fragments d'endocarpe collés aux fibres et aux
particules de parenchyme solidarisées.
La présente invention vise aussi un filtre pour le traitement des eaux à base
de
particules parenchymateuses, seules, ou en combinaison avec d'autres
matériaux.

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II a été découvert que l'utilisation de la bourre, ou l'exocarpe, de la noix
de cocos
comme matériel de garnissage d'un massif de filtration offrait des résultats
et des
avantages surprenants par rapport au matériel de garnissage déjà connu dans le
domaine du traitement des eaux. Ce matériel rencontre en effet la majorité
sinon
toutes les caractéristiques recherchées décrites ci-dessus, et ce, tel qu'il
sera plus
amplement expliqué ci-dessous. La présentation vise donc l'utilisation de
l'exocarpe
de la noix de coco dans la fabrication de filtres destinés au traitement des
eaux. 11
a en effet été réalisé que l'exocarpe de la noix de coco offrait des
possibilités encore
inexploitées pour le développement de massifs filtrants percolants. II n'est
toutefois
pas exclu d'utiliser aussi des fragments d'endocarpe mélangés aux fragments
d'exocarpe.
Plus particulièrement, l'invention propose l'utilisation de particules de
fibres et
parenchyme solidarisés dans des massifs filtrants pour le traitement des eaux
usées.
Ces particules peuvent être utilisée seules ou en combinaison avec d'autres
~15 matériaux. Dans les deux cas, la configuration du massif filtrant peut
être isotrope
ou anisotrope selon les propriétés recherchées.
BR~VE DESCRIPTION DES FIGURES
20 Les caractéristiques de la présente invention seront mieux comprises à la
lecture
non limitative de la description qui suit de modes de réalisation préférés de
l'invention, faite en se référant aux dessins annexés décrits ci-après et dans
lesquels
La figure 1 est une représentation schématique de la morphologie d'une noix de
2 5 coco de Cocos nucifera
La figure 2 est une représentation schématique de particules de fibres et de
parenchyme solidarisées pouvant être utilisées pour la présente invention,
cette
figure montre des particules provenant du mésocarpe uniquement (A), du
mésocarpe
avec fragment d'épicarpe (B), et du mésocarpe avec fragments d'épicarpe (C).

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La figure 3 est une représentation schématique de filtres pour le traitement
des eaux
selon deux modes de réalisation préférés de l'invention, plus particulièrement
la
figure 3 montre des massifs filtrants isotropes constitués de particules de
fibres et
de parenchyme solidarisés de faible (A) et grand (B) diamètres.
La figure 4 est une représentation schématique de filtres pour le traitement
des eaux
selon deux autres modes de réalisation préférés de l'invention, plus
particulièrement
cette figure est une illustration de massifs filtrants constitués de
particules de fibres
et de parenchyme solidarisés de diamètres différents selon une configuration
isotrope (A) ou anisotrope (B).
l0 La figure 5 est un exemple d'une courbe granulométrique pour un massif
filtrant
isotrope incorporant des particules de fibres et de parenchyme solidarisés de
diamètre supérieur à 3 mm et des particules de parenchyme seul de diamètre
inférieur à 3 mm représentées en hachuré.
La figure 6 est une représentation schématique d'une filière de traitement
complet
pour les eaux usées domestiques incluant une fosse septique et un biofiltre
avec un
massif filtrant selon un mode de réalisation préféré incorporant une couche de
tourbe, une couche de particules de fibres et de parenchyme solidarisés, et
une
couche drainante de graviers.
DESCRIPTION DE MODES DE RÉALISATIONS PRÉFÉRÉS
Dans un produit selon l'invention, les particules de fibre et de parenchyme
solidarisés de grosseur uniforme sont confinées pour former un milieu filtrant
avec
un étalement étroit de la granulométrie (coefficient d'uniformité faible).
Dans un lit
donné, la grosseur des particules définies permet de moduler le niveau de
traitement
atteint {figure 3). Ä titre d'exemple, des particules plus grossières
permettent
d'obtenir un niveau de traitement inférieur à celui obtenu avec des particules
plus
fines. Par contre, cette dernière stratégie impliquera des entretiens de la
surface plus
fréquents étant donné l'accumulation de matériels particulaires provenant de
l'affluent à traiter et de la biomasse résultant de la croissance des micro-
organismes

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responsables de la biodégradation ou de la transformation des polluants. Autre
application, l'utilisation de particules plus grossières ouvre la voie à une
opération
en mode recirculation alors que les particules plus fines sont limitées à une
opération
en simple percolation.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les particules de fibres et
de
parenchymes solidarisés utilisées pour former la massif filtrant sont de
grosseur
différente. Celles-ci peuvent être disposées en différentes couches de
particules de
grosseur uniforme, des plus grossières au plus fines, par exemple, pour former
une
configuration anisotrope permettant une spécialisation de chaque étage du
massif.
Ces mêmes particules peuvent constituer un mélange uniforme pour créer un
massif isotrope présentant un étalement de granulométrie donné (figure 4).
Conformément à l'invention, on peut utiliser des particules de fibres et
parenchyme
solidarisés avec d'autres matériaux pour pousser plus loin le pilotage des
propriétés
du massif filtrant. Ä titre d'exemple, il est possible d'obtenir un mélange
isotrope de
particules de fibres et de parenchymes solidarisés, présentant des diamètres
supérieurs à 3 mm, avec des particules de parenchyme seul de diamètre
inférieur
à 3 mm. Ainsi, on peut obtenir un massif filtrant présentant une courbe
granulométrique plus étalée intégrant des particules fines (figure 5). Ces
dernières
peuvent jouer un rôle fondamental dans l'enlèvement des micro-organismes
pathogènes tels que les coliformes fécaux. Pour certaines applications, on
peut
aussi agencer des couches de particules de fibres et de parenchyme solidarisés
avec des couches de d'autres matériels. Ä titre d'exemple, ü est intéressant
de
superposer une couche de tourbe sur une couche de particules de fibres et de
parenchyme. II est à noter que, bien que la couche mixte de fibres et
parenchyme
solidarisés soit préféré pour des questions d'efficacité, la présente
invention vise
aussi l'utilisation d'une couche constitué seulement de particules de
parenchyme.
Cette configuration anisotrope permet d'exploiter les points forts de chaque
matériau.
La tourbe, peu dispendieuse et moins stable, protège la couche de particules
de
fibres et de parenchyme solidarisés plus dispendieuse, plus stables et plus
résistante
à la compaction (figure 6). L'utilisation d'une couche de particules de fibres
et de

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parenchyme solidarisés disposée sur un sol naturel de moindre perméabilité que
ladite couche de particules de fibres et parenchyme solidarisés constitue une
autre
application d'un lit anisotrope combinant un autre matériel. Ici encore,
chaque
couche remplit une fonction spécifique : les particules de fibres et
parenchyme
solidarisés effectuent un traitement grossier protégeant ainsi la couche de
sol
responsable du polissage de l'affluent à traiter. Dans les divers modes de
réalisation
de l'invention présentés, à titre d'exemple, les particules de fibres et de
parenchyme
solidarisés permettent de rencontrer adéquatement les principales
caractéristiques
recherchées. II est à noter que le parenchyme seul sans fibre pourrait être
utilisé,
mais avec moins de latitude dans le choix des granulométries.
1. La forte teneur en lignine des fibres et du parenchyme, en concentration
moindre, assure une stabilité supérieure à celle rencontrée avec la tourbe ou
la
plupart des autres matériels biologiques poreux qui pourraient être
utilisables. De
plus, les particules de fibres et de parenchyme solidarisés sont peu friables
étant
donné la forte cohésion observée au niveau des bourres naturelles.
2. Les particules de fibres et de parenchyme présentent des densités
inférieures
à celle de la tourbe et sont environ deux fois plus compressibles que la
tourbe. On
parte d'un facteur de compaction atteignant quatre pour le coco par rapport à
un
facteur maximum de deux pour la tourbe.
3. La résilience et la stabilité des particules de fibres et de parenchyme,
résultant
de leur teneur en lignine et de la structure physique des deux composants,
expliquent en partie la forte résistance à la compaction observée. En effet,
un
massif filtrant de tourbe de 80 cm de hauteur présente une compaction de
l'ordre de
2 5 20 % après quelques mois d'opération alors qu'un lit de particules de
fibres et de
parenchyme montre un léger tassement davantage attribuable à un réarrangement
des particules sous l'effet de l'eau.
4. Les résidus de bourres de coco favorisent la colonisation microbienne. Ä
titre
d'exemple, les fibres de coco peuvent être utilisées pour fabriquer des lits
ou matelas
3o microbiologiques pour le traitement de contaminants dans l'environnement
(brevet
américain 6 033 559)

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l
5. Les résidus d'exocarpe de coco sont utilisés comme substrats horticoles à
des niveaux d'humidité de l'ordre de 20 % alors que les substrats à base de
tourbe
doivent présenter des niveaux d'humidité supérieures à 40 % et obligent le
recours
à des agents mouillants.
6. De par la grosseur de la bourre à l'état naturelle et le procédé de
transformation, les particules de fibres et de parenchyme de coco offre une
grande
latitude en terme de granulométrie. De plus, l'étalement granulométrique
possible
est augmenté lorsque l'on combine les particules de fibres et de parenchyme
solidarisés à des particules de parenchyme seul.
7. Le tissu parenchymateux, de par son rôle de réserve, présente une structure
alvéolaire ou cavitaire lui conférant, une fois séché, une grande capacité de
rétention d'eau capillaire ou statique.
8. Le contrôle possible au niveau de la granulométrie et de la morphologie des
particules permet de minimiser au besoin la sinuosité ou tortuosité des
espaces ou
~5 lacunes du massif filtrant, sièges des rétentions dynamiques liquide et
gazeuse.
9. L'opération de découpe ou de broyage requise pour la fabrication des
particules de fibres et de parenchyme est relativement simple. De plus, il
faut
considérer que la matière première constitue un déchet que les producteurs
doivent
payer pour se débarrasser. Finalement, aucun résidu ou déchet n'est généré
lors
2 0 de ia transformation de la bourre en particules.
10. L'utilisation des bourres de coco dans des massifs filtrants s'inscrit
directement dans une perspective de développement durable puisque celle-ci
repose
sur la valorisation d'un déchet organique qui peut être à son tour revalorisé
par
compostage suite à son utilisation pour le traitement des eaux.
Bien que des modes de réalisation préférés de l'invention aient été décrits en
détail
ci-haut et illustrés dans les dessins annexés, l'invention n'est pas limitée à
ces seuls
modes de réalisation et plusieurs changements et modifications peuvent y être
effectués par une personne du métier sans sortir du cadre ni de l'esprit de
l'invention.