Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La présente invention a trait au domaine de
l'épuration par voie biologique, des eaux résiduaires
telles que notamment les eaux urbaines, les eaux
industrielles ainsi que des eaux de distribution à
rendre potables. Elle concerne tout spécialement un
procêdé de purification dans lequel l'eau à traiter et
le gaz oxygéné sont envoyés à co-courants ascendants
dans un seul rëacteur ou filtre biologique muni, comme
matériau de filtration, de matiéres plastiques ou
minérales expansées de densité inférieure à celle de
l'eau.
On sait que le traitement biologique, par exemple
de l'eau, consiste à dëgrader les impuretés organiques
par l'action d'une biomasse épuratrice libre ou fixée,
et renfermant des micro-organismes divers : bactéries,
levures, protozoaires, métazoaires...Dans le procédé à
biomasse libre, par boues activées, il y a impossibilité
de concentrer en grand nombre les diverses espëces de
micro-organismes, peu décantables dans la mesure où la
concentration de la biomasse est réalisée par
décantatïon; le procédé est donc limité pour ce qui est
de la charge applicable en DBO (demande biologique en
oxygène) et DCO (demande chimique en oxygène). Dans un
système à biomasse fîxée, la concentration de la
biomasse (avec les bactéries) se fait par l'accrochage
sur un support. L'aptitude à la décantation n'est plus
alors le critère primordial et cette technique possède
un potentiel épuratoire bien supérieur à celui des
procédés conventionnels.
Parmi les procédés les plus performants, basés sur
le principe d'épuration à biomasse fixée, on peut citer
notamment ceux brevetés et développés par la
Demanderesse dont le procédé dit '°Biocarbone°°
(marque
déposée) et la technique consistant à mettre en oeuvre,
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dans un seul réacteur à courant d'eau ascendant, un lit
granulaire constitué par deux zones de granulométrie et
caractéristiques biologiques différentes (brevets
français n° 76 21246 publié n° 2 358 362: n° 78 30282
publié n° 2 439 749: n° 86 13675 publié n° 2 604 990j.
Dans les techniques dites à biomasse libre, on se
reportera ici en particulier aux procédés à lits
fluidisés, dans lesquels on met en oeuvre, nomme
matériau pour le biofiltre, des produits de densité
inférieure à 1 comme par exemple des polymères expansés,
selon des processus qui sont maintenant dans le domaine
public (brevet français n° 1 363 510 de 1963: brevet
anglais n° 1 034 076 de 1962) dont diverses variantes
d'exécution ont donné lieu à de nombreux brevets
d°invention (brevets français n° 330 652, 2 406 664,
2 538 800: brevet américain n° 4 256 573: brevet
japonais n° 58-153 590, etc).
La mise en oeuvre de ces matériaux flottants et de
lits granulaires fluidisés est intéressante en soi mais
entraîne un certain nombre de difficultés et présente
souvent des inconvénients. Par exemple, si l'on fluidise
des matériaux plus lourds que l'eau (sable ou analogue)
il faut un apport d'énergie considérable pour le pompage
du liquide et le maintien du matériau à l'intérieur du
réacteur est difficile à maftriser. Pour pallier cet
inconvénient de consommation d'énergie, on a proposé
d'utiliser un lit fluidisé à matériaux légers, moins
denses que l'eau aven insufflation d°air à la base du
lit mais avec une alimentation en eau descendante
(brevets US n° 4 256 573 et japonais n° 58 153590 déjà
cités). Toutefois, à partir d'une certaine vitesse
descendante de l'eau, les bulles d'air sont piégées à
l'intérieur du matériau ou alors entrainées par le flux
liquide et l'on ne peut aérer correctement le réacteur.
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Dans le but d'obvier aux inconvénients susvisés, de
nombreuses expërimentations ont ëtë faites chez la
Demanderesse pour utiliser tous les avantages d'un lit
flottant en cherchant à ëliminer les phénomènes de
piégeage de bulles à la surface, colmatage du lit,
dépenses en énergie, difficultés de lavage du lit
filtrant, etc.
Ces difficultés ont été vaincues grâce à la mise au
point d'un système où, dans le réacteur ou filtre
biologique unique à co-courants ascendants d'eau et de
gaz oxygénés, on utilise comme moyen de filtration et
support bactërien,un lit fixe de particules moins denses
que l'eau et dont lamasse volumique de matériau en vrac
' est comprise entre 8 et 65 kg/m3.
Bien que d'autres matériaux légers puissent être
utilisés tels que diverses matières plastiques
expansées, argiles ou schistes expansés, produits
cellulosiques, etc..., le matériau avantageusement mis
en oeuvre est constitué, selon l'invention, par des
billes de polystyrène expansé de granulométrie comprise
entre 2 et 6mm et de densité en vrac au moins égale à
0,035. En pratique, la fourchette de densité en vrac est
de préférence comprise entre 0,035 et 0,065.
De nombreuses expérimentations entreprises par la
Demanderesse ont permis d'établir que, seule, la
sélection rigoureuse de l'intervalle désiré de masse
volumique précité permettait d'obtenir une épuration de
grande efficacité et stable dans le temps.
En effet, il a été constaté qu'en utilisant des billes
de polystyrène de densité en vrac inférieure à 0,035, le
matériau donnait lieu à des phénomènes d'écrasement et
de tassement sur le plafond de rétention, ce qui
entraS~ne d'importantes pertes de charge hydraulique et
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un colmatage sévère du lit.
D'autre part, la mise en oeuvre de billes de
polystyrène de densité supérieure à 0,065, outre les
difficultés techniques de réalisation, donne lieu à
d'intempestifs entrafnements du matériau lors des
lavages du lit à contre-courant et donc à des pertes
inacceptables.
D'autres caractéristiques, encore, du procédé seront
mises en lumière dans la suite de la présente
description.
L'invention a également pour objet un réacteur ou
filtre biologique.comprenant de bas en haut : une zone '
d'épaississement et d'évacuation des boues d'épuration;
au moins un dispositif d'injection d'air; une zone de
matériau filtrant constituée par une couche de
particules légères précitées; un plafond en béton ou
autre matériau perforé; et enfin, dans le haut du
rêacteur, une zone de réserve d'eau de lavage au sommet
de laquelle est prévue l'évacuation de l'effluent
traité.
Une réalisation non limitative d'une installation
de traitement d'eau est illustrée sur les dessins des
planches annexées qui représentent
- figure 1, une vue en perspective, en éclaté, d'un
ensemble de traitement, à deux réacteurs ou biofiltres
en parallèle;
- figure 2, une vue partielle, en coupe, d'un réacteur
selon la ligne AA de la figure 1: et
- figure 3, une vue du même réacteur selon la coupe BB
de la figure 1.
Conformément â ces figures, un réacteur 1 comporte,
dans sa partie inférieure, l'espace 2 pour
l'épaississement et l'évacuation des boues; puis : le
système d'injection de fluide oxygéné 3, le lit fixe 4
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retenu par la plaque perforée 7 servant de plafond: et
enfin la zone supérieure libre 8 servant de réserve de
lavage où l'eau traitée est évacuée par la
canalisation 9.
Le liquide à traiter arrive par la canalisation 11
et est introduit dans la zone 2, en-dessous du
dispositif d'injection de gaz oxygéné 3, ce dernier
pouvant se trouver sous le lit 4, comme indïqué sur 1a
figure, ou encore au sein de ce lit (repère 3').
Lorsque de l'aïr (ou gaz oxygéné) est introduit à
la base par 3, on obtient un échange intensif entre 1e
gaz, l'eau à traiter et le biofilm qui s'accroche aux
particules. Pendant cette opération, le lit ~ reste en
régime non turbulent (d'où l'expression de lit fixe
utilisée dans la présente description).
~ cause de l'accumulation de matière en suspensions
et de la croïssance biologique à l'ïntérïeur du lit
filtrant, le matériau se colmate progressivement.
L'accroissement de la perte de charge peut être suivi
par mesure manométrique ou par la montée du niveau du
liquide dans la colonne 11 de mise en charge ou de
mesure de perte de charge. La~ rétention de particules
peut être améliorée par l'ajout d'un floculant.
quand une valeur prédéfinie de perte de charge est
atteinte le lavage du lit est déclenché. Pour cela, une
vanne de chasse 13 est ouverte jusqu'à obtention de la
vïtesse de lavage voulue. L°écoulement rapide à
contre-courant du liquide traité et stocké en partie
supérieure 8 du réacteur permet l'expansion du matériau.
Pour la granulométrie et la densité du matériau telles
que définies ci-dessus, on choisit une vitesse de lavage
comprise entre 30 et 80 m/h.
Le passage rapide à contre-courant permet
d'entrafner les matïères stockées dans les espaces
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intersticiels et de décrocher la biomasse sn excès
accumulée sur la surface du matériau, mais l'intervalle
précité de vitesse permet de conserver un biofilm actif
sur le matériau. Après vidange de la réserve 8 et
fermeture de la vanne 33, on peut redémarrer
l'alimentation à une charge semblable à celle avant
lavage.
Un recyclage de l'effluent épuré par une pompe
permet éventuellement d'améliorer la répartition ou
1o d'apporter des nitrates en zone de préfiltration.
Pour allonger les durées entre les lavages, de très
courtes chasses d'eau par ouverture de la vanne 13
peuvent être effectuées périodiquement pour détasser le
matériau et permettre une pénétration plus profonde des
impuretés dans le lit filtrant. Ces mini~lavages
dëcolmateront davantage 1a partie infërieure du filtre
plus chargée en matières en suspension. Les chasses
rapides peuvent être déclenchées de manière à assurer
une perte de charge équilibrée sur taute la hauteur du
lit de filtration. Ceci permet de s'affranchir d'organes
de régulation pour l'équipartition du gaz oxygéné et de
l'eau.
Afin d'éviter une trop forte compression du lit par
une insufflation continue, on peut prévoir une pulsation
de l'air ou gaz oxygéné. L'insufflation de l'air peut
être maintenue pendant le lavage, pulsé ou non, pour
favoriser le décolmatage du lit.
Selon une réalisation avantageuse du procédé, on
combine une batterie de filtres comme illustré sur la
figure 1. Un plan d'eau commun alimentera des colonnes
de mise en charge individuelles à chaque filtre. Les
colonnes de mise en charge évitent la surpression créée
par un éventuel calmatage accidentel, tout en compensant
le colmatage en continu. Avec cette alimentation
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gravitaire, le débit peut être facilement mesuré et
réglé par des déversoirs.
Les compartiments de stockage d'eau de lavage d'une
batterie de filtres seront reliés hydrauliquement.
Ainsi, l'eau épurée des filtres en fonctionnement
alimentera le flux de lavage du filtre en décolmatage,
ce qui permet de donner une hauteur et un volume
suffisants aux compartiments de stockage superposés au
lit filtrant, les dimensions pouvant être calculées en
l0 fonction du dëbit et du nombre des filtres.
Exemple de réalisation
On a travaillé sur une installation de traitement
d'eau urbaine polluée contenant 5 cellules de filtration
disposées en parallèle (chaque cellule correspondant à
un réacteur 1 de type susdécrit) ayant chacune une
surface de 16 m2. La hauteur de chaque cellule ou
réacteur était d'environ 5,70m et la hauteur de matériau
cellulaire (dans ce cas des billes de polystyrène de 3,5
mm environ de diamètre et de densité 0,045) était
d'environ 3 mètres.
Le débit d'eau traité était de 2300 m3/jour et les
caractéristiques de pollutions- étaient les suivantes :
NTK : 40 mg; (azote total Kjehldahl); DCO (demande
chimique en oxygène) . 400 mg; MES (matiéres en
suspension) . 100 mg/l.
L°eau traitée, dans l'effluent de sortie, avait les
trës bonnes caractéristiques suivantes : DCO : 50 mg;
MES : l0 mg/1, azote (N) total : 8 mg; dont 1 mg
correspondant â N de NH4, 5 mg à N de N03 et 2 mg à N
organique.
