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SYSTEME AEROBIE INDIVIDUEL ET/OU COLLECTIF D'EPURATION PAR
RECIRCULATION OPTIMISEE SUR LIT BACTERIEN A SORTIE HAUTE.
La présente invention a pour objet un système aérobie individuel et/ou collectif d'épuration par recirculation optimisée sur lit bactérien percolateur à sortie haute.
Son champ d'application est celui de la petite communauté humaine urbaine et/ou rurale dont la composition des eaux usées domestiques, l'évolution de cette composition en fonction du temps et des saisons, ont pu être suffisamment appréciées au point que le traitement par voie biologique, de l'effluent, après un éventuel passage dans un système de traitement primaire, puisse être envisagé sur des bases rationnelles.
Les dispositifs d'épuration individuelle par voie biologique sont connus. L'invention se focalise sur un type de pollution spécifique totalement dépourvu de caractère industriel. Le but poursuivi est de satisfaire aux conditions de rejet définies pour la protection de l'environnement. Dans ce contexte, la présente invention vise à proposer un dispositif faisant éventuellement partie d'une unité plus importante, ce dispositif permettant de garantir un rejet conforme à une évacuation en eau de surface.
Comme on le sait, le passage, par ruissellement, d'une eau, à travers une masse de matériau poreux ou caverneux servant de support à des microorganismes, a des effets de purification résultant de la vie des microorganismes qui retiennent la pollution organique et s'en nourrissent. Depuis longtemps, ces phénomènes se passent dans la nature et sont familiers à l'homme qui, jusqu'à une époque récente, n'en avait pas investigué systématiquement les mécanismes et, n'avait pu les mettre en oeuvre dans des unités spécialement conçues pour traiter les effluents par voie biologique. Il est possible de mettre efficacement en oeuvre des installations de purification de la matière organique par assimilation réalisée par des microorganismes purificateurs.
La matière polluante contenue dans l'eau ainsi que l'oxygène de l'air diffusent à travers le film biologique jusqu'à ces microorganismes assimilateurs et, à l'inverse, les sous-produits et le gaz carbonique s'éliminent dans les fluides gazeux et liquides. Le mucilage ou film biologique tapisse la surface du milieu de développement. L'expression de"lit bactérien"couvre le fait de faire ruisseler l'eau à traiter, préalablement décantée, sur une masse de matériaux poreux ou à sites caverneux, lesquels servent de support aux microorganismes purificateurs.
La qualité du film biologique, ses modalités physicochimiques d'intervention lors de la percolation de l'eau, sont des facteurs déterminants lorsque l'on cherche à concevoir une unité fonctionnant par traitement biologique.
Le brevet anglais GB-A-783998 (R. A. G. SMITH & Th. J.
HOREMAN) a pour objet l'aération et la réalisation de circuits d'eaux pour améliorer la qualité d'une eau. Ces techniques ont pour champ d'application des flux importants, à charge de pollution possiblement élevée.
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Souvent, les systèmes d'épuration biologique aérobies sont réservés à de grandes installations pour quelques centaines d'équivalents-habitants ou plus. Dans ce contexte, les systèmes épurateurs proposés sont nombreux ; on a comme exemples : les boues activées, les lits bactériens, les biodisques, le lagunage aéré, le lagunage naturel, etc.
Par contre, pour faire face au problème de l'assainissement individuel (une maison) eu autonome (maisons groupées), les systèmes proposés sont moins nombreux : on a rencontré les mini-stations à boues activées, les filtres bactériens percolateurs, les systèmes d'épuration par le sol.
L'invention fait partie de la panoplie des filtres bactériens percolateurs aérobies. Ces filtres sont utilisés ordinairement pour l'assainissement individuel et ont les caractéristiques suivantes, qui constituent des inconvénients du système dans sa version courante.
- La sortie du lit percolateur est basse puisque l'eau s'écoule dans ce dernier par percolation. Il en résulte que le système ne peut souvent être utilisé que dans des terrains en pente, pour avoir l'évacuation des eaux traitées.
- La distribution du liquide sur le matériau filtrant est souvent assurée de manière sommaire. Parfois un simple tuyau amène l'eau à traiter, qui s'écoule le long de la paroi du récipient, le matériau filtrant étant alors mal utilisé.
- La plupart des systèmes sont à passage unique de l'eau sur le matériau filtrant. Il faut alors que l'épuration se réalise entièrement pendant les minutes de percolation de à travers le matériau filtrant.
Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients majeurs grâce à des spécificités essentielles notamment celle d'employer une vanne à trois voies conjointement avec une pompe unique de transfert/recirculation.
L'art antérieur a déjà proposé un tel type d'équipement : AT-B- 397648 (STOISER & WOLSCHER) décrit une station de clarification dont l'extrémité est souvent dédoublée en deux parties jumelées. L'installation fait usage d'au moins deux pompes dont l'une (pompe 28, fig. 5) assure la recirculation et/ou la sortie de l'eau traitée. La commande temporelle de la pompe (28) est prévue. Une telle installation ne permet pas de mettre clairement à profit la notion de volume tampon et ne prévoit pas explicitement la définition d'un temps de recirculation et d'un temps d'arrêt de celle-ci. La présente invention a pour fondement les études menées par les demandeurs et relatives à l'effet du volume tampon et du mode opératoire d'une station de purification biologique autonome sur les paramètres physico-chimiques de l'eau traitée.
Des installations d'épuration avec recirculation et passage sur un lit de filtration sont illustrées dans DE-A 42 37 427 (KORDES KLAERANLAGEN) et dans US-A-3 291 309 (HUTCHINSON). Ces systèmes ne décrivent et ne présentent aucun moyen de réaliser effectivement des phases opératoires dont les temps opératoires puissent être correctement choisis. De ce fait, dans ces installations, la charge appliquée au lit bactérien n'est pas non plus choisie pour obtenir un abattement quasi complet de la matière carbonée ni une oxydation des composés azotés, l'azote ammoniacal (NH4) + évoluant en (N02) (nitrites) puis en nitrates (N03)- moins toxiques.
Les trois documents cités décrivent principalement des systèmes de grandes échelles dont les paramètres de fcnctionnement sont, globalement, réductibles à des ordres de grandeurs moindres.
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L'état de la technique des dispositifs d'épuration individuels ou autonomes (maisons groupées) à lits bactériens percolateurs aérobies, est illustré par CH-A-668252 (EBERHARD WALTHER). Il s'agit d'un procédé et d'une petite installation pour purifier des effluents. On utilise notamment une série de trois réservoirs à travers lesquels circule un effluent. Des réactions biologiques avec des microorganimes aérobies (dans les récipients d'amont) et anaérobies (dans le récipient d'aval) ont lieu et on a donc la purification de l'effluent. Une pompe (51) immergée dans le dernier réservoir asperge séquentiellement les surfaces (101,103) des deux premiers récipients de l'installation (figure 2 du document).
Cette aspersion est d'ailleurs une phase d'un processus de recyclage partiel de l'effluent. L'importance d'une aspersion efficace est mise en évidence par les dispositifs illustrés aux figures 3 et 4 du brevet où des moyens d'optimisation de l'aspersion sont décrits. Les réservoirs et composants de l'installation sont préfabriqués et peuvent être réalisées en béton armé.
G. B-A-2218082 A (W. BINDER) illustre un traitement d'effluents domestiques après leur passage dans la fosse septique d'une habitation.
Dans le traitement, l'effluent recircule dans un circuit hydraulique avec filtre bactérien.
Les brevets US-A-4693816 et 4196082 (A. SALOKANGAS) ) décrivent un dispositif de chauffage du circuit d'eau utilisé dans le traitement biologique des eaux usées. Le dispositif trouve la justification de son emploi : à la saison froide, la température de l'installation de traitement peut devenir nulle et la dégradation biologique ne peut alors absolument plus se faire valablement. Dans ces documents, on ne signale pas l'importance des flux traités.
Les systèmes et dispositifs antérieurs ont en commun de mettre en oeuvre des réservoirs qui dépassent le niveau du sol et, ce manque d'esthétique est un frein à leur généralisation dans les lotissements nouveaux. Ils présentent aussi, les inconvénients déjà signalés. Les points de sortie des effluents traités sont souvent bas et ceci n'est pas favorable à un écoulement correct et de nombreuses précautions doivent donc être prises contre les colmatages comme à ceux rencontrés avec les puits perdus là où le sol est partiellement argileux.
Ces particularités sont absentes dans le dispositif de la présente invention. En effet, les éléments fondamentaux sont ici au nombre de quatre : l'existence d'une sortie haute, d'une recirculation/distribution optimisée, la mise en oeuvre d'un volume tampon et, enfin un dispositif de commande du tout. Avec ces dispositions, une haute purification des matières organiques peut être atteinte et gardée : on choisit le volume tampon nécessaire au fonctionnement de l'installation et l'on réalise une gestion optimale des temps de recirculation et d'arrêt pour mettre en, oeuvre le volume tampon.
Le système particulier de l'invention a un filtre bactérien à niveau supérieur et une gestion optimale pour actionner une pompe unique, une valve motorisée à trois voies associée à un volume tampon.
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Le système d'épuration individuelle par voie biologique par percolation et recirculation sur un lit bactérien de percolation et recirculation selon l'invention permet des passages répétés successifs de l'effluent prétraité à travers un matériau filtrant présentant une porosité et un volume de vide important.
Le volume tampon mis en oeuvre est divisé en deux parties de niveaux d'eau distincts repérés électriquement par des capteurs Cb, Ch, les signaux électriques captés correspondants à ces niveaux servent à définir deux phases opératoires distinctes permettant de réaliser la gestion optimale de l'épuration biologique.
Le système d'épuration individuelle par voie biologique par percolation et recirculation sur un lit bactérien de percolation et recirculation selon la présente invention est tel que, selon les signaux électriques repérés par les capteurs Cb et Ch, les phases opératoires sont démarrées ou désactivées, la phase de niveau bas correspondant à une activation de la recirculation et évidemment à un arrêt de l'évacuation, et la phase de niveau haut, correspondant à un arrêt de la recirculation et à une opération d'évacuation par sortie haute, à niveau supérieur ou aérien.
Le système pour petites et moyennes communautés ayant pour but l'épuration individuelle par voie biologique par percolation et recirculation sur un lit bactérien de percolation et recirculation selon la présente invention a pour spécificité de réaliser la sortie haute et la gestion optimale du processus d'épuration par voie biologique par emploi d'un volume tampon, la configuration adoptée étant celle d'un ensemble cylindrique symétrique au centre duquel se trouve un compartiment où sont logés une pompe, la conduite de refoulement de cette pompe, le système de détection de niveaux (Cb, Ch) et la conduite d'amenée des conducteurs d'alimentation et de commande de la pompe.
Une autre particularité du dispositif selon l'invention est qu'également, sur l'axe de symétrie du système, à l'aplomb du compartiment cylindrique de la pompe, et donc, en dehors du lit de filtration, on a mis en place un dispositif de répartition, de distribution et/ou de fine dispersion de l'eau sur le lit de filtration
Le système pour petites et moyennes communautés ayant pour but l'épuration individuelle par voie biologique par percolation et recirculation sur un lit bactérien de percolation et recirculation selon l'invention comporte donc un dispositif de répartition qui surplombe l'axe central du lit bactérien et comporte une plaque circulaire, avec un bord continu réalisé par soudage,
qui est frappée violemment à partir du haut par le flux d'eau d'entrée de la conduite de refoulement de la pompe et qui est maintenue par vissage avec un disque au moyen d'une tige orientée dans l'axe du lit bactérien de sorte qu'il se forme ainsi une multitude de
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gouttelettes qui viennent se répartir au sein du matériau filtrant.
Le système pour petites et moyennes communautés ayant pour but l'épuration individuelle par voie biologique par percolation et recirculation sur un lit bactérien de percolation et recirculation selon la présente invetion met essentiellement en oeuvre un volume tampon qui est l'objet d'un traitement au cours duquel son eau est renvoyée de façon cyclique et commandée sur le lit bactérien pendant un temps de recirculation Tm et est ensuite mis à l'arrêt pendant un temps Ta, les valeurs respectives de ces temps opératoires étant choisies de façon telle que le temps de séjour moyen du volume tampon dans le lit bactérien garantisse un traitement optimal du flux avant son évacuation par la sortie haute.
Le système pour petites et moyennes communautés ayant pour but l'épuration individuelle par voie biologique par percolation et recirculation sur un lit bactérien de percolation et recirculation selon la présente invetion met de plus en oeuvre le volume tampon pour que la grandeur du volume tampon soit directement reliée aux rejets quotidiens de la dite communauté et soit à titre exemplatif et non limitatif comprise entre une valeur égale à 60 % et une valeur égale à 160 % desdits rejets journaliers
Le système pour petites et moyennes communautés selon la présente invention se caractérise par le fait que le4 choix des temps de recirculation Tm et d'arrêt Ta se fait à l'aide d'un doseur cyclique ou à l'aide de tout dispositf électronique connu de maintien d'un rapport fixe entre deux valeurs Tm et Ta de temps opératoires,
la valeur du débit de la pompe étant fixée une fois pour toutes lors de la mise en service du lit bactérien.
Selon la présente invention, le volume tampon qui sert de base à la réalisaion de la gestion optimale de l'épuration est évacué et ajusté à la dimension correcten fonction de la conssommation quotidienne des habitants. Ce volume tampon ne premet pas seulement une gestion optimale des effluents mais il contribue à l'épuration quasi complète de ces derniers. En effet, le volume tampon est également un réacteur biologique qui participe à l'épuration.
Durant la phase de recirculation des eaux sur le matériau filtrant, on obtient un effet d'aération intense des eaux. Les eaux qui retournet dans le volume tampon sont fortement aérées et apportent ainsi de l'oxygène à ce dernier, en quantité telle que la teneur en oxygène dissous dans le volume tampon se rapproche de la teneur à saturation durant les phases de recirculation.
Par ailleurs, les lambeaux de biofilm qui se détachent régulièrement du support grâce au phénomène d'autocurage apportent de la biomasse épuratnce dans le volume tampon.
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Ainsi, ce dernier permet de mettre en présence une pollution résiduelle, une biomasse épuratrice mise en suspension par l'effet de pompage, et de l'oxygène dissous. mettant ainsi en oeuvre les conditions nécessaires et suffisantes pour obtenir un phénomène d'épuration biologique aérobie.
Le lit bactérien, objet de la présente invention, est dimensionné de manière telle à non seulement épurer la charge organique contenue dans les eaux mais également à permettre le phénomène de nitrification des effluents. En limitant la charge appliquée au lit bactérien à une valeur seuil qui dépend des conditions locales. on peut obtenir un abattement quasi complet de la matière carbonée. mais aussi une oxydation très poussée des composés azotés. L'azote ammoniacal (NH4) + est alors oxydé successivement en nitrites (N02) puis en nitrates (N03 r moins toxiques. Ces réactions biologiques étant fort consommatrices d'oxygène, elles peuvent se réaliser grâce à l'aération intense obtenue par les recirculations multiples réalisées sur le matériau filtrant.
Comme il vient d'être indiqué. un effet complémentaire peut être obtenu dans le volume tampon lorsque la teneur en oxygène dissous est suffisante, c'est-à-dire durant les phases de recirculation.
Lorsque la recirculation est stoppée, la teneur en oxygène dissous dans le bassin tampon chute progressivement. preuve supplémentaire de l'activité biologique qui s'y déroule. Si on attend suffisamment longtemps, l'oxygène dissous devient déficient dans le bassin tampon et un effet épurateur complémentaire peut être obtenu. appelé dénitrification-
Durant ce phénomène. les bactéries épuratrices utilisent les nitrates, formés lors des étapes précédentes. en lieu et place de l'oxygène devenu déficient. Pour ce faire. elles consomment également de la matière organique, poursuivant donc le traitement de la matière carbonée.
Le système d'épuration par percolation et recirculation sur un lit bactérien selon la présente invention a également pour objet de réaliser une épuration des effluents qui permet de prendre en compte des éventuelles crêtes dans les charges de pollution à traiter au cours de la iournée. Le système d'épuration individuelle par voie biologique par percolation et recirculation sur un lit bactérien percolateur et recirculation, permet les passages répétés successifs de l'effluent prétraité à travers un matériau filtrant qui est à titre exemplatif de la pouzzolane.
Il est composé notamment d'un volume tampon qui est divisé en deux niveaux d'eau distincts repérés électriquement, les signaux électriques captés correspondants à ces niveaux servent à définir deux phases opératoires distinctes permettant de réaliser la gestion optimale de l'épuration biologique. Les phases opératoires sont essentiellement une phase de recirculation ( traitement proprement dit) et une phase d'évacuation.
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Le volume tampon est ajusté au départ d'une situation d'occupation concrète de l'habitation à équiper : plus la charge de pollution de l'habitat est importante. plus important est le volume tampon à mettre en oeuvre et le débit de recirculation sera également pris en considération dans ce sens-là. De plus. on conçoit que la grandeur relative du volume de lit bactérien et du volume tampon sont aussi en corrélation.
Le passage d'une phase opératoire de fonctionnement du système d'épuration à une autre. se fait à l'aide de capteurs (pressostat. sondes résistives ou autres...) Dans le système selon la présente invention, aucun ensemencement préalable de départ du lit bactérien n'est indispensable : le seul ensemencement naturel des eaux provenant par exemple de la fosse septique est requis.
Une absence des habitants responsables de la charge habituelle aura pour conséquence que la fréquence de la recirculation sera volontairement diminuée et que le lit bactérien sera périodiquement alimenté en manière telle que son biofilm reste actif.
D'autres avantages et particularités de la présente invention seront donnés à titre illustratif et non limitatif sur base des dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 est une illustration du schéma de principe du système d'épuration par percolation et recirculation sur un lit bactérien selon la présente invention.
-La figure 2 est une illustration du dispositif de distribution et répartition optimale des eaux d'effluent et de recirculation tel qu'utilisé dans le système selon la présente invention.
- La figure 3 est une illustration plus détaillée du volume tampon ainsi que les éléments qui composent le compartiment central.
- La figure 4 est un diagramme exemplatif des séquences opératoires des différents composants du système d'épuration par percolation et recirculation sur un lit bactérien selon la présente invention.
- La figure 5 et à titre exemplatif est un diagramme temporel rapporté à une demi journée (12 heures) qui permet d'illustrer avec des résultats expérimentaux, l'influence liée au volume tampon et à la recirculation sur les différents paramètres mesurés et étudiés.
- La figure 6 est une illustration, par schémas, des diverses manières de disposer, selon l'invention, les différents composants du dispositif de traitement par voie biologique.
- La figure 7 représente les circuits électriques permettant de réalisant la gestion optimale des composants indispensables à la réalisation de la recirculation et des trajets de fluides selon la présente invention.
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Sur la figure 1, ont été représentés, les composants essentiels du système d-épuration par percolation et recirculation sur un lit bactérien selon la présente invention.
Les eaux pénétrant dans le système selon l'invention ont auparavant traversé une unité de traitement primaire qui est, en général, essentiellement, une fosse septique de type classique. En aval de cet équipement de fosse septique, les eaux sont en général encore fort chargées au point d'exiger, sur le plan de la pureté requise des effluents que l'on peut rejeter dans le milieu naturel, un traitement que la figure 1 permet de bien comprendre. L'équipement nécessaire à la réalisation de ce système est de type usuel dans ce domaine technique et l'on peut'considérer aussi que les opérations essentielles se déroulent dans une enceinte fermée formant une cuve (11) qui est faite en un matériau correctement choisi tel que : béton, matière plastique, etc...
Au-dessus de cette cuve on a ménagé un compartiment haut abritant d'une part, un boîtier de dérivation (15) répondant aux normes de sécurité X4 P64 relatives au fonctionnement de matériel électrique en conditions humides et d'autre part, une électro-valve motorisée à trois voies (10) de type"tout ou rien". La face supérieure de cette boîte de dérivation (15) est disposée tangente à la surface du sol.
La figure 1 permet. de plus de voir que le système englobe une conduite d'arrivée (13) des eaux, après leur passage dans une fosse septique située en amont, un matérau filtrant (3) occupant absolument tout le volume non occupé par l'appareillage. Dans la cuve (11) se font deux opérations essentielles : la recirculation et l'évacuation des eaux traitées. Cette évacuation se fait par la conduite de sortie haute (18). Cette conduite (18) a, en fait, une embouchure double (voir figure 1) : elle est constituée d'une tuyauterie de diamètre suffisamment large pour entourer une autre conduite (8) qui lui est intérieure et reliée à la valve motorisée à trois voies (10).
Cette disposition vise à faire face à une situation d'urgence : l'évacuation normale, celle qui se fait lorsque le capteur de niveau haut Ch signale que le niveau maximum est atteint, se fait par la tuyauterie de diamètre inférieur (8). C'est au contraire par la conduite de diamètre plus grand (18), que peut se faire une sortie occasionnelle en cas de trop plein d'eau en partie supérieure du lit bactérien. Ceci peut survenir lorsque la pompe de recirculation est avariée et hors fonctionnement (courtcircuit, arrêt d'alimentation ou autres..). Il pourrait aussi arriver que le lit de filtration se colmate au point que la percolation soit freinée ou impossible. Une autre possibilité est que la valve motorisée à trois voies soit bloquée en position de recirculation.
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Dans toutes ces circonstances, le niveau de l-eau dans la cuve (11) montera indéfiniment et l'installation risque d'être noyée. On prévoit, pour faire face à ces situations peu fréquentes mais possibles, un contacteur ou"switch"de "niveau ultime"Cu (22) (fig-3) qui signale une situation où le volume tampon et l'enceinte du lit bactérien sont totalement submergés.
Au bas de la cuve se trouve un compartiment (4) dont la face supérieure supporte le matériau filtrant (3). Ce compartiment a une fonction de volume tampon qui, comme on le verra ci-après, est essentielle pour le déroulement correct des opérations de purification selon la présente invention.
Au centre de la cuve (11) (fig. 3), se trouve le compartiment cylindrique (9) de la pompe dans lequel sont logés une pompe (5), la conduite de refoulement de cette pompe (14) et les conducteurs d'arrivée d'énergie et de commande (23) du système de détection de niveaux (20,21, 22) et de la pompe (5). Le compartiment cylindrique (9) est conçu pour avoir une position centrale, gardant la symétrie de l'ensemble, mais sa forme propre et également ses dimensions peuvent être adaptées à chaque situation : le but de ce volume central (9) est uniquement de réserver un espace pour pouvoir dégager la pompe (5) pour en assurer l'entretien, ainsi que pour permettre d'extraire les boues qui pourraient s'accumuler par l'autocurage du lit.
Dans certains cas. on pourrait réaliser l'installation selon la présente invention avec un compartiment cylindrique (9) tout à fait inexistant, la pompe étant, dans ce cas, tout à fait enfouie dans le compartiment (4) du bas et les seules liaisons existant entre la pompe et le compartiment du haut sont alors : la conduite de refoulement (14) et les arrivées d'énergie et de commande de la pompe (5).
La pompe (5) a une fonction double : d'une part, elle assure une recirculation de l'eau lorsque la valve motorisée à trois voies (l0) est en position de recirculation (1), et d'autre part. elle assure l'évacuation lorsque cette même valve (10) a la position de sortie orientée vers conduite de sortie (18). Ces deux positions sont gérées par les deux capteurs Cb et Ch (20) (21) (Fig. 3). Dans le volume de la cuve (11) qui surplombe le lit de filtration (3), sont présentes les trois conduites (8), (1) et (14) qui se raccordent à la vanne à trois voies (10). mentionnée ci-dessus.
Sur l'axe de symétrie de la cuve. à l'aplomb du compartiment cylindrique (9) de la pompe (5), et donc, en dehors du lit de filtration. on a mis en place un dispositif (2) de répartition, de distribution et/ou de fine dispersion de l'eau sur le lit de filtration (3). Une illustration plus détaillée de ce distributeur est donnée par la figure 2. Cette eau doit être dispersée. c'est-à-dire doit être mise en des conditions physico-chimiques telles que le transfert d'oxygène de l'air vers l'eau à traiter soit optimal.
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Au depart, cette eau est constituée de l'eau d'arrivée par la conduite (13). laquelle est mélangée à de l'eau de recirculation provenant de la voie de recirculation (1) de la valve motorisée à trois voies (10) ce mélange étant possible puisque. comme le montre la figure 1, la conduite de recirculation (1) débouche sur la conduite (13) d'arrivée.
Le dispositif (2) de répartition, de distribution et/ou de fine dispersion de l'eau sur le lit de filtration (3) est illustré à la figure 2. Par le système de répartition. distribution et fine dispersion de l'eau, la plaque circulaire (12, fig. 2) avec un bord continu (17, fig. 2) réalisé par soudage, est frappée violemment à partir du haut par un flux d'eau d'entrée de la conduite (13) et/ou de la conduite de recirculation (1) de la valve motorisée à trois voies (10). Il se forme ainsi une multitude de gouttelettes qui sont réparties sur la totalité de la section horizontale du matériau filtrant. L'ensemble de dispersion est maintenu par une tige filetée (16. fig. 2) avec un capuchon (19, fig. 2) solidaire du tuyau central (9, fig. l et fig. 2) et est facilement réglable et démontable.
Ces conditions sont excellentes pour optimiser le transfert d'oxygène et le mouillage optimal du support constituant le matériau filtrant. Le système de répartition illustré à la figure 2 permet en quelque sorte de réaliser une aération en surface de l'eau d'entrée : l'échange se fait en effet d'une part, entre la phase liquide entière et l'atmosphère et d'autre part, entre les gouttes d'eau projetées dans l'air et celui-ci. Le renouvellement et la circulation indispensable de l'air au sein de l'installation est garanti par un circuit d'aération dont les deux extrémités sont visibles à la figure 1 où est illustrée la conduite (7) de ventilation basse directement reliée au volume tampon (4).
Entre l'embouchure d'entrée de la ventilation basse (7) et l'embouchure de sortie de la ventilation haute (6), se produit un effet de tirage par différence de pression entre les deux niveaux d'air du lit.
On comprend que la hauteur du lit de filtration soit un facteur d'importance qui doit être pris en considération lors de la détermination des paramètres de construction de la cuve (11) : l'aération est, en fait, générée par la superposition du tirage naturel.
Comme on le sait, le passage, par ruissellement, d'une eau, à travers une masse de matériau poreux ou caverneux servant de support à des microorganismes, a des effets de purification résultant de la vie des microorganismes qui retiennent la pollution organique et s'en nourrissent. La masse polluante contenue dans l'eau ainsi que l'oxygène de l'air diffuse à travers le film biologique jusqu'au microorganismes assimilateurs tandis qu'à l'inverse, les sousproduits et le gaz carbonique s'éliminent dans les fluides gazeux et liquides.
Le mucilage ou film biologique tapisse la surface du milieu de développement.
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ba qualite, ses modalités pnysico-cnimiques d'intervention lors de la percolation de l'eau à purifier, sont des facteurs déterminants lorsque l'on cherche à concevoir une unité fonctionnant par traitement biologique.
Comme on peut s'en rendre compte dans les installations de l'art antérieur et notamment dans le brevet 2218082 mentionné précédemment, l'existence d'une recirculation implique nécessairement celle d'un volume plus ou moins important présent dans le système et faisant en quelque sorte office de"tampon'". Dans les meilleurs des cas. les systèmes actuels qui sont donc des systèmes à lit bactérien aérobie ou descensum ne permettent qu'un seul passage (rarement plus) de l'eau sur le lit avant son évacuation à plus d'un mètre en dessous du niveau du sol. On ne peut s'attendre qu'à un rendement maximum de 30 à 50 %. L'assainissement individuel par voie biologique s'effectuant souvent en aval d'un élément fonctionnant par trop plein (en général une fosse septique), l'eau amenée au lit bactérien a des caractéristiques très irrégulières.
Le volume tampon employé rationnellement et systématiquement est une voie excellente vers un traitement optimal. Le rôle du volume tampon s'est avéré essentiel et il est détaillé dans ce qui suit : le volume tampon permet d'abord le stockage des eaux et permet de réaliser une épuration quasi complète de la matière carbonée et azotée. Il permet d'allonger le temps de séjour dans le lit bactérien et dilue l'eau à traiter lorsqu'il est partiellement renvoyé dans le flux d'entrée (principe même de la recirculation). Le flux global de l'eau à traiter peut être envoyé sur le lit filtrant par une pompe à débit constant qui alimente un dispositif de dispersion qui asperge la totalité de la section horizontale du matériau filtrant. Le volume tampon permet encore de minimiser les effets de chasse et d'annuler les pointes et les crêtes dans les eaux d'entrée.
Il faut de plus souligner le fait qu'il est possible d'obtenir une dénitrification au sein du volume tampon (4). En effet, le lit bactérien est le siège d'une étape de nitrification réalisée à la faveur de l'effet de dispersion lors de l'apport du mélange (eau entrante (13) + eau recyclée (1)). Cette nitrification dans le lit bactérien est importante et se fait d'autant mieux que le lit est le siège d'une ventilation d'air frais venant d'un effet de cheminée entre une ventilation basse (7) et une ventilation haute (6).
L'existence d'une phase de nitrification dans le filtre (en milieu aérobie) autorise la réaction suivante de dénitrification (libération de l'azote gazeux en milieu anaérobie). Cette réaction de dénitrification se produit soit en profondeur du biofilm soit et surtout, dans le volume tampon, son activité épuratrice est de ce fait essentielle.
A la figure 4, on a représenté, un diagramme séquentiel d'états relatif aux différents organes qui entrent en jeu lors du fonctionnement de l'unité de purification par voie biologique selon l'invention.
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La partie supérieure du diagramme décrit en fonction du temps. l'évolution de l'alimentation en eau du volume tampon (4). Ce volume évolue en restant confiné et limité par deux frontières : celle correspondant à un niveau haut Ch (21) (fig. 3) et celle correspondant à un niveau bas Cb (22) (fig. 3) Au fil du temps, le volume varie entre ces deux limites : quand l'habitation est déserte, pratiquement aucun effluent domestique ne pénètre dans le système et le niveau est confiné à un niveau entre les deux capteurs Ch et Cb. Une arrivée importante de personnes occupant l'habitation, correspond à une brusque montée de niveau.
Le diagramme de la figure 4 correspond à une situation classique : les arrivées d'effluents sont graduelles et l'on atteint insensiblement le niveau haut à une vitesse qui est la moyenne. de la dérivée de la courbe donnant le volume tampon en fonction du temps. Quand le volume tampon est tel que le niveau haut est atteint, tout le système entre en mode d'évacuation (8) : pour le volume tampon (4), ceci se manifeste par une diminution linéaire effectuée pendant le temps Te ; pour l'électrovalve à trois voies, ceci se manifeste par une commutation vers la sortie d'évacuation (8) (diagramme sous celui du volume tampon) et pour les contacteurs Ch et Cb, ceci se manifeste respectivement par une activation et une désactivation du courant pilote qu'ils envoient respectivement à l'électrovalve à trois voies (10).
Les deux trains d'impulsions rectangulaires au bas du diagramme séquentiel de la figure 4 sont relatifs au mode recirculation (1) des eaux.
Pour réaliser la recirculation, on fait appel à un doseur cyclique qui est la réalisation intégrée de deux minuteries : l'une d'elle fixe le temps de fonctionnement de la pompe en mode de recirculation (1) et l'autre fixe le temps s'écoulant entre deux recirculations. Ces composants présentent l'avantage de pouvoir ajuster aisément le profil du train d'impulsions de mise en fonctionnement d'un équipement, à un ensemble de situations qui peuvent se présenter. En situation concrète, la valeur de Tm doit être évaluée correctement : il s'agit d'évaluer le temps au cours duquel l'eau sera renvoyée sur le lit bactérien et sera mise en contact avec le biofilm développé sur le support et aussi avec l'oxygène ambiant présent dans les interstices du lit.
Ce temps de recirculation est le temps où s'accroît le rendement en DB05, en DCO et enfin où s'améliore la nitrification. De même, la valeur de Ta est l'objet d'un examen attentif : il s'agit de la période intermédiaire entre deux recirculations successives. Ce temps agit plutôt sur la dénitrification dans le volume tampon mais il agit aussi sur les deux autres paramètres également.
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Le role du doseur cyclique ayant été défini, on comprendra que les deux trains d'impulsion du bas de la figure 3 se rapportent respectivement au doseur cyclique et à la pompe (5). Le temps opératoire est donc constitué d'un série de temps alterné Tm et Ta. Pendant les différents temps Tm, le doseur cyclique envoie un courant pilote et la pompe est en mode de recirculation par les conduits (14) et (1), la conduite d'évacuation (8) étant déconnectée. Pendant les temps d'arrêt, Ta, le doseur cyclique et la pompe sont dans le même état : absence de courant pilote et absence de fonctionnement de la pompe (5). Ces deux trains d'impulsions du doseur cyclique et de la pompe restent identiques au cours du temps et présentent seulement une discontinuité au moment où l'évacuation s'opère.
A ce moment le temps d'évacuation Te, le courant pilote du doseur cyclique est nul mais celui du contacteur haut Ch ne l'est pas, si bien que la pompe (5) fonctionne, l'électrovalve (10) étant activée vers la sortie (8) et (18) d'évacuation. La figure 3 montre clairement les différents états opératoires qu'il y a lieu de réaliser pour commander le dispositif de purificaion par voie biologique selon la présente invention-
Les trains d'impulsions auxquels on a fait référence ci-dessus se propagent sur des circuits adéquats et commandent les différents composants assurant le fonctionnement. Un exemple de circuit est donné à titre non limitatif à la figure 7.
On voit (partie DN) que le détecteur de niveaux est à quatre consignes : la référence, le niveau bas, le niveau haut et le niveau alarme, l'agencement des circuits étant tel que le niveau haut fait passer la valve (partie centrale du schéma) de la position de recyclage à la posiion de sortie ou vidange. Le doseur cyclique DC agit sur le relais de contact de la pompe lequel est monté en série avec le fusible thermique de protection. La signalisation de l'état du système se fait très simplement par par deux lampes (jaune et rouge) qui donne respectivement l'information de fonctionnement correct (jaune) et de défaillance (rouge).
Le mode de réalisation présenté n'est aucunement limitatif et tout dispositif électronique, analogique ou numérique réalisant ces séquences directement par logique cablée et circuits de consignes ou par logique implantée par microprocesseur ou autres est envisageable pour réaliser la commande.
Le volume tampon est ajusté au départ d-une situation d'occupation concrète de l'habitation à équiper : plus la charge de pollution de l'habitat est importante, plus important est le volume tampon à mettre en oeuvre et le débit de recirculation sera également pris en considération dans ce sens-là. De plus, on conçoit que la grandeur relative du volume de lit bactérien et du volume tampon sont aussi en corrélation
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En se reférant à nouveau à la figure 3. on comprendra où se situent les deux volumes distincts en lesquels est divisé le volume tampon, et qui servent à définir deux phases opératoires distinctes de fonctionnement du système selon les séquences temporelles reprises à la figure 4.
- La phase de niveau bas de volume tampon repéré par un détecteur de niveau bas (Cb). Au niveau bas, la pompe de recirculation (5) fonctionne de manière intermittente et réglable et, l'électrovalve motorisée (10) de type "tout ou
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rien"à trois voies autorise la circulation par sa voie d'entrée (14) et sa voie de recirculation (1).
- La phase de niveau haut de volume tampon, repéré par un détecteur de niveau haut (Ch). Au niveau haut, la pompe de recirculation (5) fonctionne et la valve motorisée (10) de type"tout ou rien"à trois voies autorise la circulation par sa voie d'entrée (14) et sa voie de sortie d'évacuation (8).
Les travaux qui ont menés à édifier les concepts servant de base à la présente invention ont pu mettre en évidence les propriétés du volume tampon mais également l'effet lié à la recirculation sur les différents paramètres physico-chimiques. Ces travaux ont d'abord été initiés en laboratoire et se sont terminés par des études sur sites en situation réelle. La figure 5 (à titre exemplatif) est une illustration sur site réel de l'évolution de la pollution au sein du système en fonction du temps et limité à une période de 12 heures. Les séquences opératoires de la recirculation. déterminé par le doseur cyclique, étaient réparties de façon à avoir 85 % d'arrêt et 15 % du temps dévolu à la recirculation.
Le volume tampon était dans ce cas de 450 litres délimité entre Cb et Ch. Comme le montre cette figure 5, le rôle du volume tampon est primordial par son action d'allonger le temps de séjour des eaux au sein du matériau filtrant. De cette manière, il était possible de réaliser plusieurs recirculations successives caractérisées par des temps d'arrêt Ta et des temps de marche Tm qui favorisent le phénomène de nitrification/dénitrification. La figure 5 permet de montrer l'évolution des différents paramètres dans le volume tampon lors de la phase de traitement ou en mode recirculation (fig.
5) avant d'atteindre la phase d'évacuation qui correspond à l'extrême droite de la figure 5.
On peut finalement affirmer que le volume tampon est le troisième élément constitutif d'une unité d'épuration individuelle : il s'ajoute aux deux premiers éléments que sont la fosse septique et le lit bactérien lui-même.
A titre exemplatif et non limitatif des données pratiques et techniques éprouvées par l'expérience, et en se référant toujours à la figure 1. on réalisera le système en une cuve unique d'épaisseur 85 mm, en béton armé, préfabriqué et vibré. Le volume utile total est de 3600 litres réalisé avec un diamètre de 1750 mm et une hauteur de 2340 mm. Avec ce système, le lit de matériau filtrant (pouzzolane) aura une hauteur minimale de 1000 mm.
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Une grille support en polyéthylène haute densité permet de réaliser par sa fonction de support séparateur, le volume tampon. La pompe de recirculation/évacuation associée à cette configuration sera une pompe électrique à corps en acier inox AISI 304 avec moteur monophasé 200 VAC-0, 6 kW. Pour une pression de refoulement de 2 mètres de hauteur d'eau, le débit opérationnel de refoulement sera de 150 1/min. Pour un volume tampon de l'ordre de 500 litres, en moins de quatre minutes, le volume tampon est vidangé et rapidement la recirculation est remise à l'arrêt. Le diamètre de la conduite d'aspiration est de 3'/mm environ-La pompe est associée à une crépine laissant passer des matières en suspension dont le diamètre est de 6 mm maximum ; la hauteur d'aspiration est 9 mm minimum.
Le mode d'implantation le plus fréquent de l'ensemble d'épuration par recirculation sur lit bactérien à sortie haute est celui qui a été donné à la figure 1. La figure 6 permet d'avoir un vue de toutes les autres possibilités que l'on peut concevoir pour réaliser une recirculation efficace dans ur. processus biologique d'épuration individuelle selon la présente invention. Il est par ailleurs concevable d'opérer avec deux pompes et sans électrovalve. Comme le montrent les figures 6a et 6b, l'enceinte centrale frontière logeant la pompe peut etre placee soit à gauche soit à droite du lit bactérien, la fosse septique se trouvant dans l'un et l'autre cas, en amont de l'unité choisie.
Pour chacune de ces configurations, on peut mettre en oeuvre une pompe, une électrovalve à trois voies ou deux pompes. On peut, finalement, et c'est le cas envisagé à la figure 6d, abandonner tout espace de répartition en position centrale. Le lit et le matériau sont alors confondus avec le volume tampon.
Cette situation serait réalisable et a été testée en s'avérant tout à fait praticable si le matériau filtrant est constitué d'une matière synthétique à volume de vide important et s'il est léger.
Les installations selon la présente invention sont nettoyées selon une périodicité à déterminer expérimentalement.
Sur le plan pratique, l'invention est mise en oeuvre en fonction des données spécifiques de la vie quotidienne de la communauté d'habitants dont il s'agit de garantir la mise en conformité des rejets d'effluents domestiques et sanitaires.
On considère, en général, qu'une personne adulte rejette dans son comportement moyen d'habitant, environ 150 à 180 litres d'effluents de toutes sortes par jour. (eau de bains, de toilette, de cuisine, de vaisselle etc..)
Si n personnes constituent la communauté dont il faut traiter les rejets, le volume à traiter sera n x 150 litres jour. Ce volume permet, pour une forme géométrique donnée de l'enceinte tampon, de placer les capteurs de niveau à l'endroit correct. Ceci fait, les temps Tm et Ta sont fixés par essais et erreurs dans le cas d'une installation dont les paramètres de fonctionnement ne sont pas courants.
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Bien entendu, la présente invention n'est absolument et en aucune manière limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus et donné à titre uniquement illustratif et non limitatif, en se basant sur les dessins annexés, mais elle est au contraire susceptible de nombreuses variantes et modifications accesssibles à l'homme de l'art, sans que l'on sorte du domaine de l'invention tel que défini par les revendications qui suivent.
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INDIVIDUAL AND / OR COLLECTIVE AEROBIC PURIFICATION SYSTEM BY
OPTIMIZED RECIRCULATION ON BACTERIAL BED WITH HIGH OUTPUT.
The present invention relates to an individual and / or collective aerobic system of purification by optimized recirculation on a percolating bacterial bed with high output.
Its field of application is that of the small urban and / or rural human community whose composition of domestic wastewater, the evolution of this composition as a function of time and seasons, have been sufficiently appreciated to the point that treatment by biologically, the effluent, after a possible passage through a primary treatment system, can be considered on a rational basis.
Individual biological purification devices are known. The invention focuses on a specific type of pollution totally devoid of industrial character. The aim is to meet the discharge conditions defined for environmental protection. In this context, the present invention aims to propose a device which may be part of a larger unit, this device making it possible to guarantee a discharge in accordance with a discharge of surface water.
As is known, the passage, by runoff, of water, through a mass of porous or cavernous material serving as a support for microorganisms, has purification effects resulting from the life of microorganisms which retain organic pollution and s 'feed on it. For a long time, these phenomena occur in nature and are familiar to man who, until recent times, had not systematically investigated their mechanisms and had not been able to implement them in specially designed units to treat effluents biologically. It is possible to effectively implement installations for purifying organic matter by assimilation carried out by purifying microorganisms.
The polluting material contained in the water as well as the oxygen of the air diffuse through the biological film to these assimilating microorganisms and, conversely, the by-products and carbon dioxide are eliminated in the fluids gaseous and liquid. The mucilage or biological film lines the surface of the development medium. The expression "bacterial bed" covers the fact of causing the water to be treated, previously decanted, to flow over a mass of porous materials or with cavernous sites, which serve as a support for the purifying microorganisms.
The quality of the biological film, its physicochemical modalities of intervention during the percolation of water, are determining factors when we seek to design a unit functioning by biological treatment.
British patent GB-A-783998 (R. A. G. SMITH & Th. J.
HOREMAN) aims to aerate and build water circuits to improve the quality of water. These techniques have the field of application of large flows, possibly with a high pollution load.
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Often, aerobic biological purification systems are reserved for large installations for a few hundred equivalent inhabitants or more. In this context, the purifying systems proposed are numerous; examples include: activated sludge, bacterial beds, biodiscs, aerated lagooning, natural lagooning, etc.
On the other hand, to deal with the problem of individual sanitation (a house) or an autonomous one (grouped houses), the systems proposed are less numerous: we have encountered mini-stations with activated sludge, percolating bacterial filters, purification by soil.
The invention is part of the panoply of aerobic percolating bacterial filters. These filters are commonly used for individual sanitation and have the following characteristics, which constitute drawbacks of the system in its current version.
- The output of the percolator bed is low since the water flows through it by percolation. As a result, the system can often only be used in sloping ground, to have the evacuation of treated water.
- The distribution of the liquid on the filtering material is often ensured in a summary manner. Sometimes a simple pipe brings the water to be treated, which flows along the wall of the container, the filter material being then badly used.
- Most systems have a single pass of water over the filter material. The purification must then be carried out entirely during the minutes of percolation through the filtering material.
The device according to the invention makes it possible to remedy these major drawbacks by virtue of essential specificities, in particular that of using a three-way valve together with a single transfer / recirculation pump.
The prior art has already proposed such a type of equipment: AT-B- 397648 (STOISER & WOLSCHER) describes a clarification station the end of which is often split into two twinned parts. The installation uses at least two pumps, one of which (pump 28, fig. 5) ensures the recirculation and / or the outlet of the treated water. The time control of the pump (28) is provided. Such an installation does not make it possible to clearly take advantage of the concept of buffer volume and does not explicitly provide for the definition of a recirculation time and a stop time thereof. The present invention is based on the studies carried out by the applicants and relating to the effect of the buffer volume and the operating mode of an autonomous biological purification station on the physico-chemical parameters of the treated water.
Treatment plants with recirculation and passage through a filtration bed are illustrated in DE-A 42 37 427 (KORDES KLAERANLAGEN) and in US-A-3 291 309 (HUTCHINSON). These systems do not describe or present any means of effectively carrying out operating phases whose operating times can be correctly chosen. Therefore, in these installations, the load applied to the bacterial bed is also not chosen to obtain an almost complete reduction of the carbonaceous matter nor an oxidation of the nitrogenous compounds, the ammoniacal nitrogen (NH4) + evolving into (N02 ) (nitrites) then nitrates (N03) - less toxic.
The three documents cited mainly describe large-scale systems whose operating parameters are, overall, reducible to smaller orders of magnitude.
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The state of the art of individual or autonomous purification devices (grouped houses) with aerobic percolating bacterial beds, is illustrated by CH-A-668252 (EBERHARD WALTHER). It is a process and a small installation for purifying effluents. In particular, a series of three reservoirs is used through which an effluent circulates. Biological reactions with aerobic (in the upstream containers) and anaerobic (in the downstream container) microorganisms take place and the effluent is therefore purified. A pump (51) immersed in the last tank sequentially sprinkles the surfaces (101, 103) of the first two containers of the installation (FIG. 2 of the document).
This sprinkling is also a phase in a process of partial recycling of the effluent. The importance of effective spraying is demonstrated by the devices illustrated in Figures 3 and 4 of the patent where means for optimizing spraying are described. The tanks and system components are prefabricated and can be made of reinforced concrete.
G. B-A-2218082 A (W. BINDER) illustrates a treatment of domestic effluents after their passage in the septic tank of a dwelling.
In the treatment, the effluent recirculates in a hydraulic circuit with a bacterial filter.
Patents US-A-4693816 and 4196082 (A. SALOKANGAS)) describe a device for heating the water circuit used in the biological treatment of wastewater. The device finds the justification for its use: in the cold season, the temperature of the treatment installation can become zero and the biological degradation can then absolutely no longer be valid. In these documents, the importance of the treated flows is not indicated.
The prior systems and devices have in common the use of reservoirs which exceed the level of the ground and, this lack of aesthetics is an obstacle to their generalization in new developments. They also have the drawbacks already mentioned. The outlet points of the treated effluents are often low and this is not favorable for a correct flow and numerous precautions must therefore be taken against blockages like those encountered with wells lost where the soil is partially clayey.
These features are absent in the device of the present invention. Indeed, there are four basic elements here: the existence of a high outlet, an optimized recirculation / distribution, the implementation of a buffer volume and, finally, a device for controlling the whole. With these provisions, a high purification of organic materials can be achieved and kept: the buffer volume necessary for the operation of the installation is chosen and optimal management of the recirculation and stop times is carried out to implement the buffer volume.
The particular system of the invention has a higher level bacterial filter and optimal management for actuating a single pump, a motorized three-way valve associated with a buffer volume.
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The individual purification system by biological means by percolation and recirculation on a bacterial percolation and recirculation bed according to the invention allows successive repeated passages of the pretreated effluent through a filter material having a porosity and a large void volume.
The buffer volume used is divided into two parts of distinct water levels identified electrically by sensors Cb, Ch, the captured electrical signals corresponding to these levels are used to define two distinct operational phases allowing optimal management of the biological purification.
The individual purification system by biological means by percolation and recirculation on a bacterial percolation and recirculation bed according to the present invention is such that, according to the electrical signals identified by the sensors Cb and Ch, the operating phases are started or deactivated, the low level phase corresponding to an activation of the recirculation and obviously to a stop of the evacuation, and the high level phase, corresponding to a stop of the recirculation and to an evacuation operation by high outlet, at higher level or air.
The system for small and medium communities for the purpose of individual purification by biological means by percolation and recirculation on a bacterial percolation and recirculation bed according to the present invention has the specificity of achieving high output and optimal management of the purification process. biologically by using a buffer volume, the configuration adopted being that of a symmetrical cylindrical assembly at the center of which is a compartment in which a pump is housed, the discharge pipe of this pump, the level detection system ( Cb, Ch) and the supply line for the supply and control conductors of the pump.
Another feature of the device according to the invention is that also, on the axis of symmetry of the system, directly above the cylindrical compartment of the pump, and therefore, outside the filtration bed, a device for distributing, distributing and / or fine dispersing the water on the filtration bed
The system for small and medium communities for the purpose of individual purification by biological means by percolation and recirculation on a bacterial percolation and recirculation bed according to the invention therefore comprises a distribution device which overhangs the central axis of the bacterial bed and comprises a circular plate, with a continuous edge produced by welding,
which is struck violently from above by the flow of water entering the pump discharge line and which is held by screwing with a disc by means of a rod oriented in the axis of the bacterial bed so that a multitude of
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droplets which are distributed within the filtering material.
The system for small and medium communities for the purpose of individual purification by biological means by percolation and recirculation on a bacterial percolation and recirculation bed according to the present invention essentially implements a buffer volume which is the subject of a treatment with during which its water is returned cyclically and controlled on the bacterial bed during a recirculation time Tm and is then stopped for a time Ta, the respective values of these operating times being chosen such that the time of average stay of the buffer volume in the bacterial bed guarantees an optimal treatment of the flow before its evacuation by the high outlet.
The system for small and medium communities for the purpose of individual purification by biological means by percolation and recirculation on a bacterial bed of percolation and recirculation according to the present invention further implements the buffer volume so that the size of the buffer volume is directly related to the daily discharges from the said community and either by way of example and without limitation between a value equal to 60% and a value equal to 160% of said daily discharges
The system for small and medium communities according to the present invention is characterized by the fact that the choice of the recirculation times Tm and stop times Ta is made using a cyclic metering device or using any known electronic device. maintaining a fixed relationship between two values Tm and Ta of operating times,
the value of the pump flow being fixed once and for all when the bacteria bed is put into service.
According to the present invention, the buffer volume which serves as a basis for achieving optimal management of the treatment is evacuated and adjusted to the correct size according to the daily consumption of the inhabitants. This buffer volume does not only provide optimal management of the effluents, but it contributes to the almost complete purification of the latter. Indeed, the buffer volume is also a biological reactor which takes part in the purification.
During the phase of recirculation of the water on the filtering material, an intense aeration effect of the water is obtained. The water which returns to the buffer volume is highly aerated and thus brings oxygen to the latter, in an amount such that the content of dissolved oxygen in the buffer volume approaches the saturation content during the recirculation phases.
In addition, the biofilm shreds which regularly detach from the support thanks to the self-cleaning phenomenon provide purifying biomass in the buffer volume.
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Thus, the latter makes it possible to bring together residual pollution, a purifying biomass suspended by the pumping effect, and dissolved oxygen. thus implementing the necessary and sufficient conditions to obtain an aerobic biological purification phenomenon.
The bacterial bed, object of the present invention, is dimensioned in such a way as not only to purify the organic charge contained in the waters but also to allow the nitrification phenomenon of the effluents. By limiting the load applied to the bacterial bed to a threshold value which depends on local conditions. one can obtain an almost complete reduction of the carbonaceous matter. but also very extensive oxidation of nitrogen compounds. The ammoniacal nitrogen (NH4) + is then successively oxidized to nitrites (N02) then to nitrates (N03 r less toxic. These biological reactions being high consumers of oxygen, they can be carried out thanks to the intense aeration obtained by recirculations multiples made on the filter material.
As just indicated. a complementary effect can be obtained in the buffer volume when the dissolved oxygen content is sufficient, that is to say during the recirculation phases.
When recirculation is stopped, the dissolved oxygen content in the buffer tank gradually drops. additional evidence of the biological activity taking place there. If you wait long enough, the dissolved oxygen becomes deficient in the buffer tank and a complementary purifying effect can be obtained. called denitrification-
During this phenomenon. the purifying bacteria use the nitrates formed during the previous steps. instead of the oxygen that has become deficient. To do this. they also consume organic matter, thus continuing the treatment of carbonaceous matter.
The purification system by percolation and recirculation on a bacterial bed according to the present invention also aims to carry out a purification of the effluents which makes it possible to take into account possible peaks in the pollution loads to be treated during the day. The individual purification system by biological means by percolation and recirculation on a percolating and recirculating bacterial bed, allows successive repeated passages of the pretreated effluent through a filtering material which is for example pozzolan.
It is composed in particular of a buffer volume which is divided into two distinct water levels identified electrically, the captured electrical signals corresponding to these levels are used to define two distinct operating phases allowing optimal management of biological purification to be carried out. The operating phases are essentially a recirculation phase (actual treatment) and an evacuation phase.
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The buffer volume is adjusted at the start of a concrete occupation situation of the house to be equipped: the higher the pollution load of the habitat. more important is the buffer volume to be implemented and the recirculation rate will also be taken into account in this direction. Moreover. it is understood that the relative magnitude of the bacterial bed volume and the buffer volume are also correlated.
The transition from an operational phase of operation of the purification system to another. is done using sensors (pressure switch, resistive probes or other ...) In the system according to the present invention, no prior seeding from the bacterial bed is essential: the only natural seeding of water coming for example from the septic tank is required.
An absence of the inhabitants responsible for the usual load will result in the frequency of recirculation being voluntarily reduced and the bacterial bed being periodically fed in such a way that its biofilm remains active.
Other advantages and particularities of the present invention will be given by way of illustration and without limitation on the basis of the appended drawings in which: - Figure 1 is an illustration of the block diagram of the purification system by percolation and recirculation on a bacterial bed according to the present invention.
FIG. 2 is an illustration of the device for optimal distribution and distribution of effluent and recirculation water as used in the system according to the present invention.
- Figure 3 is a more detailed illustration of the buffer volume and the elements that make up the central compartment.
- Figure 4 is an exemplary diagram of the operating sequences of the various components of the purification system by percolation and recirculation on a bacterial bed according to the present invention.
- Figure 5 and by way of example is a time diagram related to half a day (12 hours) which makes it possible to illustrate with experimental results, the influence linked to the buffer volume and to recirculation on the various parameters measured and studied.
- Figure 6 is an illustration, by diagrams, of the various ways of arranging, according to the invention, the various components of the biological treatment device.
- Figure 7 shows the electrical circuits for achieving the optimal management of the components essential for achieving recirculation and fluid paths according to the present invention.
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In FIG. 1, the essential components of the purification system by percolation and recirculation on a bacterial bed have been represented according to the present invention.
The water entering the system according to the invention previously passed through a primary treatment unit which is, in general, essentially, a septic tank of conventional type. Downstream of this septic tank equipment, the water is generally still highly charged to the point of requiring, in terms of the required purity of the effluents which can be discharged into the natural environment, a treatment which FIG. 1 allows. to understand well. The equipment necessary for the realization of this system is of the usual type in this technical field and one can also consider that the essential operations take place in a closed enclosure forming a tank (11) which is made of a correctly chosen material. such as: concrete, plastic, etc.
Above this tank there is a high compartment housing on the one hand, a junction box (15) meeting the safety standards X4 P64 relating to the operation of electrical equipment in wet conditions and on the other hand, an electro- motorized three-way valve (10) of the "all or nothing" type. The upper face of this junction box (15) is arranged tangent to the surface of the ground.
Figure 1 allows. moreover to see that the system includes a water inlet pipe (13), after their passage in a septic tank located upstream, a filtering material (3) occupying absolutely all the volume not occupied by the apparatus. In the tank (11) two essential operations are carried out: the recirculation and the evacuation of the treated water. This evacuation takes place via the upper outlet pipe (18). This pipe (18) has, in fact, a double mouth (see FIG. 1): it consists of a pipe of sufficiently large diameter to surround another pipe (8) which is inside it and connected to the motorized three-way valve. tracks (10).
This provision aims to deal with an emergency situation: normal evacuation, that which is done when the high level sensor Ch signals that the maximum level is reached, is done by piping of smaller diameter (8). On the contrary, it is through the larger diameter pipe (18) that an occasional exit can be made in the event of an overflow of water in the upper part of the bacterial bed. This can occur when the recirculation pump is damaged and out of operation (short circuit, power supply shutdown or others ...). It could also happen that the filtration bed becomes clogged to the point where percolation is braked or impossible. Another possibility is that the motorized three-way valve is blocked in the recirculation position.
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In all these circumstances, the water level in the tank (11) will rise indefinitely and the installation risks being flooded. To deal with these infrequent but possible situations, a contactor or "switch" of "ultimate level" Cu (22) (fig-3) is provided which signals a situation where the buffer volume and the enclosure of the bacterial bed are totally submerged.
At the bottom of the tank is a compartment (4) whose upper face supports the filter material (3). This compartment has a buffer volume function which, as will be seen below, is essential for the correct progress of the purification operations according to the present invention.
In the center of the tank (11) (fig. 3) is the cylindrical compartment (9) of the pump in which a pump (5) is housed, the discharge line of this pump (14) and the conductors of power supply and control (23) of the level detection system (20,21, 22) and of the pump (5). The cylindrical compartment (9) is designed to have a central position, keeping the symmetry of the assembly, but its own shape and also its dimensions can be adapted to each situation: the purpose of this central volume (9) is only to reserve a space to be able to release the pump (5) to ensure its maintenance, as well as to allow to extract the sludge which could accumulate by the self-cleaning of the bed.
In some cases. the installation according to the present invention could be carried out with a completely non-existent cylindrical compartment (9), the pump being, in this case, completely buried in the compartment (4) at the bottom and the only connections existing between the pump and the upper compartment are then: the discharge line (14) and the energy and control pump inlets (5).
The pump (5) has a dual function: on the one hand, it recirculates the water when the motorized three-way valve (10) is in the recirculation position (1), and on the other hand. it ensures evacuation when this same valve (10) has the outlet position oriented towards the outlet pipe (18). These two positions are managed by the two sensors Cb and Ch (20) (21) (Fig. 3). In the volume of the tank (11) which overhangs the filtration bed (3), there are the three lines (8), (1) and (14) which connect to the three-way valve (10). mentioned above.
On the axis of symmetry of the tank. directly above the cylindrical compartment (9) of the pump (5), and therefore outside the filtration bed. a device (2) for distributing, distributing and / or fine dispersing the water on the filtration bed (3) has been put in place. A more detailed illustration of this dispenser is given in Figure 2. This water must be dispersed. that is to say must be put in physico-chemical conditions such that the transfer of oxygen from the air to the water to be treated is optimal.
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At the start, this water consists of the inlet water via the pipe (13). which is mixed with recirculation water from the recirculation path (1) of the three-way motorized valve (10) this mixture being possible since. as shown in Figure 1, the recirculation line (1) leads to the line (13) of arrival.
The device (2) for distributing, distributing and / or thinly dispersing the water on the filtration bed (3) is illustrated in FIG. 2. By the distribution system. distribution and fine dispersion of water, the circular plate (12, fig. 2) with a continuous edge (17, fig. 2) produced by welding, is violently struck from the top by a flow of inlet water the line (13) and / or the recirculation line (1) of the three-way motorized valve (10). A multitude of droplets is thus formed which are distributed over the entire horizontal section of the filter material. The dispersion assembly is held by a threaded rod (16. fig. 2) with a cap (19, fig. 2) secured to the central pipe (9, fig. 1 and fig. 2) and is easily adjustable and removable.
These conditions are excellent for optimizing the oxygen transfer and the optimal wetting of the support constituting the filtering material. The distribution system illustrated in Figure 2 allows in a way to achieve aeration at the surface of the inlet water: the exchange takes place on the one hand, between the entire liquid phase and the atmosphere and d on the other hand, between the drops of water projected in the air and this one. The renewal and essential circulation of air within the installation is guaranteed by an aeration circuit, the two ends of which are visible in Figure 1, which shows the low ventilation duct (7) directly connected to the buffer volume. (4).
Between the inlet of the low ventilation (7) and the outlet of the high ventilation (6), there is a draft effect by pressure difference between the two air levels of the bed.
It is understood that the height of the filtration bed is an important factor which must be taken into account when determining the construction parameters of the tank (11): the aeration is, in fact, generated by the superposition of the draft. natural.
As is known, the passage, by runoff, of water, through a mass of porous or cavernous material serving as a support for microorganisms, has purification effects resulting from the life of microorganisms which retain organic pollution and s 'feed on it. The polluting mass contained in the water as well as the oxygen of the air diffuses through the biological film to the assimilating microorganisms while on the contrary, the by-products and carbon dioxide are eliminated in the gaseous fluids and liquids.
The mucilage or biological film lines the surface of the development medium.
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ba quality, its physico-chemical methods of intervention during the percolation of the water to be purified, are determining factors when we seek to design a unit functioning by biological treatment.
As can be seen in the installations of the prior art and in particular in the patent 2218082 mentioned above, the existence of recirculation necessarily implies that of a more or less significant volume present in the system and making in sort of a "stamp" office. In the best of cases. current systems which are therefore aerobic or descensum bacterial bed systems allow only one passage (rarely more) of water on the bed before its evacuation more than a meter below ground level. We can only expect a maximum yield of 30 to 50%. As individual sanitation by biological means is often carried out downstream of an element operating by overflow (generally a septic tank), the water brought to the bacterial bed has very irregular characteristics.
The buffer volume used rationally and systematically is an excellent route to optimal treatment. The role of the buffer volume has proven to be essential and it is detailed in the following: the buffer volume first allows the storage of water and allows an almost complete purification of the carbonaceous and nitrogenous matter. It makes it possible to lengthen the residence time in the bacterial bed and dilutes the water to be treated when it is partially returned to the inlet flow (the very principle of recirculation). The overall flow of water to be treated can be sent to the filter bed by a constant flow pump which feeds a dispersing device which sprinkles the entire horizontal section of the filter material. The buffer volume also makes it possible to minimize the hunting effects and to cancel the peaks and ridges in the inlet waters.
It should also be emphasized that it is possible to obtain denitrification within the buffer volume (4). Indeed, the bacterial bed is the site of a nitrification step carried out thanks to the dispersing effect when the mixture is supplied (incoming water (13) + recycled water (1)). This nitrification in the bacterial bed is important and is all the better since the bed is the seat of a fresh air ventilation coming from a chimney effect between a low ventilation (7) and a high ventilation (6) .
The existence of a nitrification phase in the filter (in aerobic medium) allows the following denitrification reaction (release of nitrogen gas in an anaerobic medium). This denitrification reaction occurs either in the depth of the biofilm or, above all, in the buffer volume, its purifying activity is therefore essential.
In FIG. 4, there is shown a sequential diagram of states relating to the various organs which come into play during the operation of the biological purification unit according to the invention.
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The upper part of the diagram described as a function of time. the evolution of the water supply of the buffer volume (4). This volume evolves while remaining confined and limited by two borders: that corresponding to a high level Ch (21) (fig. 3) and that corresponding to a low level Cb (22) (fig. 3) Over time, the volume varies between these two limits: when the dwelling is deserted, practically no domestic effluent enters the system and the level is confined to a level between the two sensors Ch and Cb. An important arrival of people occupying the house, corresponds to a sudden rise in level.
The diagram in FIG. 4 corresponds to a classic situation: the effluent arrivals are gradual and the high level is imperceptibly reached at a speed which is the average. of the derivative of the curve giving the buffer volume as a function of time. When the buffer volume is such that the high level is reached, the whole system enters evacuation mode (8): for the buffer volume (4), this is manifested by a linear decrease carried out during the time Te; for the three-way solenoid valve, this is manifested by switching to the discharge outlet (8) (diagram below that of the buffer volume) and for the contactors Ch and Cb, this is manifested respectively by activation and deactivation of the pilot current which they respectively send to the three-way solenoid valve (10).
The two rectangular pulse trains at the bottom of the sequential diagram in Figure 4 relate to the recirculation mode (1) of the water.
To carry out the recirculation, a cyclic metering device is used which is the integrated realization of two timers: one of them fixes the operating time of the pump in recirculation mode (1) and the other fixes the time s 'flowing between two recirculations. These components have the advantage of being able to easily adjust the profile of the train of pulses for operating an item of equipment, to a set of situations which may arise. In a concrete situation, the value of Tm must be evaluated correctly: it involves evaluating the time during which the water will be returned to the bacterial bed and will be brought into contact with the biofilm developed on the support and also with the ambient oxygen present in the interstices of the bed.
This recirculation time is the time when the yield of DB05, of COD increases and finally where the nitrification improves. Likewise, the value of Ta is subject to close examination: it is the intermediate period between two successive recirculations. This time acts rather on the denitrification in the buffer volume but it also acts on the two other parameters also.
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The role of the cyclic metering device having been defined, it will be understood that the two pulse trains at the bottom of FIG. 3 relate respectively to the cyclic metering unit and to the pump (5). The operating time therefore consists of a series of alternating times Tm and Ta. During the different times Tm, the cyclic metering device sends a pilot current and the pump is in recirculation mode by the conduits (14) and (1), the evacuation pipe (8) being disconnected. During the downtimes, Ta, the cyclic metering device and the pump are in the same state: absence of pilot current and absence of operation of the pump (5). These two pulse trains of the cyclic metering device and the pump remain identical over time and only exhibit a discontinuity when the evacuation takes place.
At this time the evacuation time Te, the pilot current of the cyclic metering device is zero but that of the high contactor Ch is not, so that the pump (5) operates, the solenoid valve (10) being activated towards the outlet (8) and (18) evacuation. FIG. 3 clearly shows the different operating states which it is necessary to carry out to control the purification device by biological means according to the present invention.
The pulse trains referred to above propagate on suitable circuits and control the various components ensuring operation. An example of a circuit is given without limitation in FIG. 7.
We can see (DN part) that the level detector has four set points: the reference, the low level, the high level and the alarm level, the arrangement of the circuits being such that the high level causes the valve to pass (central part of the diagram) from the recycling position to the outlet or drain position. The DC cyclic doser acts on the pump contact relay which is mounted in series with the thermal protection fuse. The signaling of the state of the system is done very simply by two lamps (yellow and red) which gives respectively the information of correct operation (yellow) and failure (red).
The embodiment presented is in no way limiting and any electronic, analog or digital device carrying out these sequences directly by wired logic and setpoint circuits or by logic implemented by microprocessor or the like can be envisaged for carrying out the command.
The buffer volume is adjusted at the start of a concrete occupation situation of the house to be equipped: the greater the pollution load of the habitat, the greater the buffer volume to be implemented and the recirculation rate will be also taken into account in this sense. In addition, we can see that the relative size of the bacterial bed volume and the buffer volume are also correlated
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Referring again to FIG. 3, it will be understood where the two separate volumes are located, into which the buffer volume is divided, and which serve to define two distinct operational phases of operation of the system according to the time sequences shown in FIG. 4.
- The low level phase of buffer volume identified by a low level detector (Cb). At the low level, the recirculation pump (5) operates intermittently and adjustable and, the motorized solenoid valve (10) of the "all or
EMI14.1
nothing "with three lanes authorizes circulation by its entry way (14) and its recirculation way (1).
- The high level phase of buffer volume, identified by a high level detector (Ch). At the high level, the recirculation pump (5) operates and the motorized valve (10) of the three-way "all or nothing" type authorizes circulation by its inlet way (14) and its outlet way ( 8).
The work which led to building the concepts serving as a basis for the present invention was able to highlight the properties of the buffer volume but also the effect linked to recirculation on the various physico-chemical parameters. This work was first initiated in the laboratory and ended with on-site studies in real situations. Figure 5 (by way of example) is an illustration on real site of the evolution of pollution within the system as a function of time and limited to a period of 12 hours. The recirculation operating sequences. determined by the cyclic doser, were distributed so as to have 85% of stop and 15% of the time devoted to recirculation.
The buffer volume was in this case 450 liters delimited between Cb and Ch. As this figure 5 shows, the role of the buffer volume is essential by its action of lengthening the residence time of the waters within the filtering material. In this way, it was possible to carry out several successive recirculations characterized by stopping times Ta and running times Tm which promote the nitrification / denitrification phenomenon. Figure 5 shows the evolution of the different parameters in the buffer volume during the treatment phase or in recirculation mode (fig.
5) before reaching the evacuation phase which corresponds to the extreme right of Figure 5.
We can finally say that the buffer volume is the third constituent element of an individual purification unit: it is added to the first two elements which are the septic tank and the bacterial bed itself.
By way of example and without limitation of the practical and technical data tested by experience, and always referring to FIG. 1. the system will be produced in a single tank 85 mm thick, made of reinforced concrete, prefabricated and vibrated. The total useful volume is 3600 liters produced with a diameter of 1750 mm and a height of 2340 mm. With this system, the bed of filter material (pozzolana) will have a minimum height of 1000 mm.
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A support grid made of high density polyethylene allows the buffer volume to be achieved by its separating support function. The recirculation / evacuation pump associated with this configuration will be an electric pump with AISI 304 stainless steel body and a 200 VAC-0.6 kW single-phase motor. For a discharge pressure of 2 meters of water height, the operational discharge flow will be 150 l / min. For a buffer volume of the order of 500 liters, in less than four minutes, the buffer volume is emptied and recirculation is quickly returned to a standstill. The diameter of the suction line is approximately 3 '/ mm. The pump is associated with a strainer allowing suspended matter to pass, the diameter of which is 6 mm maximum; the suction height is 9 mm minimum.
The most frequent mode of implantation of the purification assembly by recirculation on a high output bacterial bed is that which has been given in FIG. 1. FIG. 6 gives a view of all the other possibilities that the '' one can conceive to realize an efficient recirculation in ur. biological process of individual purification according to the present invention. It is also conceivable to operate with two pumps and without solenoid valve. As shown in Figures 6a and 6b, the central border enclosure housing the pump can be placed either to the left or to the right of the bacteria bed, the septic tank being in either case, upstream of the chosen unit.
For each of these configurations, it is possible to use a pump, a three-way solenoid valve or two pumps. One can, finally, and this is the case envisaged in FIG. 6d, abandon any distribution space in the central position. The bed and the material are then merged with the buffer volume.
This situation would be achievable and has been tested by proving to be entirely practicable if the filtering material consists of a synthetic material with a large void volume and if it is light.
The installations according to the present invention are cleaned at a periodicity to be determined experimentally.
On a practical level, the invention is implemented according to specific data from the daily life of the community of inhabitants, the aim of which is to ensure compliance with discharges of domestic and sanitary effluents.
It is generally considered that an adult person rejects in his average behavior of inhabitant, approximately 150 to 180 liters of effluents of all kinds per day. (bath water, toilet water, kitchen water, dishes etc.)
If n people constitute the community whose waste must be treated, the volume to be treated will be n x 150 liters per day. This volume allows, for a given geometric shape of the buffer enclosure, to place the level sensors in the correct place. This done, the times Tm and Ta are fixed by trial and error in the case of an installation whose operating parameters are not common.
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Of course, the present invention is absolutely and in no way limited to the embodiment described above and given by way of illustration only and without limitation, based on the appended drawings, but it is on the contrary susceptible of numerous variants and modifications accessible to those skilled in the art, without departing from the scope of the invention as defined by the claims which follow.