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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.