CA2314545A1 - Massif oriente de filtration et de biofiltration - Google Patents

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Description

Demande de brevet pour un massif orienté de filtration et de biofiltration io par Is Pierre Talbot', Roger Lavasse ~, Yves Arcand ~, Olivier Vermeersch 2 et Jacek Mlynarek 2
2 Domaine de l'invention La présente invention vise de façon générale le domaine de la filtration de l'eau. Plus particulièrement, elle vise un massif de filtration pour la filtration s en mode percolant.
Description de l'art antérieur L'utilisation de biofiltres ou de filtres pour le traitement de l'eau et de l'air est connu depuis longtemps. Une forme particulière de ceux-ci pour le traitement de l'eau consiste en un réacteur rempli d'un matériel poreux io permettant l'écoulement de l'eau de façon ascendante, en mode submergé, ou de façon descendante en modes percolant ou submergé.
L'opération en mode submergé correspond à un réacteur bi-phasiques solide-liquide alors que l'opération en mode percolant consiste en un réacteur tri-phasiques solide-liquide-gaz. Selon l'objectif de traitement is poursuivi, la phase solide peut permettre de retenir du matériel particulaire, de fixer des micro-organismes et de favoriser l'établissement de réactions chimiques. La présente revue s'attarde principalement à l'état de l'art antérieur des réacteurs de type biofiltre percolant, ou tri-phasiques, pour le traitement des eaux usées. Certains des phénomènes décrits peuvent 2o néanmoins s'appliquer, de manière non exclusive, aux réacteurs bi-phasiques.
L'équation 1 présente la relation existant entre les trois phases en terme de rétention correspondant à la fraction du volume total du réacteur occupée par chacune des phases.
2s 1 = Es + EL 'F Eg ~1 )
3 La rétention solide, ou Eg, peut être subdivisée en trois composantes Es - Esm '~' Esb '~ EsP (2) OØ Esm correspond à la fraction du volume de solide occupée par le matériel filtrant, Egb correspond à la fraction du volume de solide occupée s par la biomasse et Esp la fraction du volume occupée par le matériel particulaire retenu dans le lit filtrant.
La rétention liquide, ou EL, peut être subdivisée en deux composantes EL = ELs + ELd (3) où ELd correspond à la fraction du volume de liquide occupée par le liquide io en mouvement ou s'écoulant vers le bas et ELs correspond à la fraction du volume de liquide occupée par le liquide statique retenu dans le lit filtrant.
De la même manière, la rétention gazeuse, ou E9, peut être subdivisée en deux composantes, soit une statique (E9S ) et dynamique (Egd ) Eg = E9s + Egd (4) is En prenant comme référence le filtre à sable à simple percolation, une technologie largement répandue (exemple brevet Eparco, no W09700326), on observe avec le temps une accumulation de biomasse néo formée (Esb) et de matériels particulaires (Esp) dans la partie supérieure du lit filtrant (colmatage) limitant l'écoulement des fluides gazeux et liquide 20 (augmentation de Es au détriment de EL et E9). Cette réduction de l'écoulement gazeux vers le bas peut provoquer une limitation en oxygène au niveau de la rétention gazeuse (E9) de la partie du lit filtrant située sous la partie supérieure. Une telle limitation peut entraîner un ralentissement,
4 voire un blocage, des réactions d'oxydation prenant place dans cette partie du lit filtrant. De son côté, la limitation de l'écoulement liquide en surface du lit provoque une réduction de la conductivité hydraulique du lit filtrant pouvant entraîner une diminution de ses capacités de traitement.
s D'autre part, l'opération du réacteur en mode percolant peut entraïner, dans la partie inférieure du lit filtrant, une augmentation de la rétention liquide (E~) résultant d'un phénomène de capillarité. La proportion des fractions statique (ELs) et dynamique (E~d~ de la rétention liquide (E~) au niveau de cette partie du lit peut varier selon que le réacteur est alimenté
lo ou non. Cette augmentation de la rétention liquide (~~) entraîne une diminution de la rétention gazeuse (s9) dans la partie inférieure du lit limitant ainsi les échanges gazeux vers le haut. Ce phénomène peut provoquer une limitation en oxygène au niveau de la rétention gazeuze (sg) de la partie du lit filtrant située au-dessus. Cette limitation peut entraïner ls égalent un ralentissement, voire un blocage, des réactions d'oxydation prenant place dans cette zone.
Finalement, plusieurs matériels ~Itrants opérés en percolation subissent un phénomène de compaction, suite à la dissipation de l'énergie de l'eau, entraînant également une réduction de la rétention gazeuse (s9).
2o Pour augmenter les rendements en termes de capacité d'oxydation ou de durée de vie des biofiltres percolants, différentes stratégies, utilisées une à
une ou en combinaison, (avec parfois des effets contradictoires) ont ëté
adoptées à ce jour. Le plus souvent avec du matériel en vrac et non-orienté.

Étalement vertical de la zone colmatante L'étalement vertical de la zone colmatante observée au niveau de la partie supérieure du lit filtrant permet de conserver de meilleurs écoulements gazeux et liquide vers le bas (diminution de ~). Pour atteindre cet objectif, s certains optent pour une alimentation des lits filtrants en mode percolant avec un pourcentage de recirculation de l'effluent final entraînant une dilution et une augmentation de la vitesse superficielle du liquide. Cette pratique trouve souvent sa limite dans la capacité de charge hydraulique du matériel filtrant et dans le fait que l'augmentation de la vitesse io superficielle du liquide entraîne une augmentation de la rétention liquide (E~d) au détriment de la rétention gazeuse (sg). Cette dernière limitation devra être compensée dans certains cas par l'utilisation d'une aération forcée mécaniquement par un ventilateur ou un compresseur. De plus, cette façon d'opérer implique l'utilisation de pompes et de valves souvent is coûteuses.
L'étalement de la zone colmatante peut également être augmenté en jouant sur différents facteurs liés à la porosité et à la porométrie du massif filtrant. D'une part, il est possible de mélanger de façon plus ou moins homogéne des éléments de granulométries différentes afin d'obtenir un 2o massif avec une porométrie plus grande et plus étalée (brevet canadien no 2,009,752). D'autres optent pour un massif filtrant composé d'éléments de fortes dimensions présentant un pourcentage important d'espaces vides interconnectés à l'intérieur de chaque élément. Des blocs de polyuréthane sont souvent utilisés pour ce type de massif filtrant à deux niveaux de 2s porosité (demande de brevet canadien no 2,139,554). Ces modifications sont limitées par les coûts de fabrication ou d'installation du milieu filtrant ou soit à une perte d'efficacité liée à une diminution du temps de séjour dans le réacteur de la phase liquide à traiter (diminution de ~~).

Finalement, il est possible d'augmenter l'étalement de la zone colmatante tout en conservant de bonne efficacités épuratoires par une modification de la porométrie et l'introduction d'éléments séparateurs dans le massif filtrant causant des bris de capillarité à différents niveaux. La superposition s de couches distinctes induisant des remontées capillaires à plusieurs niveaux permet d'augmenter la rétention liquide (E~) et par le fait même le temps de séjour du liquide à traiter malgré une porométrie plus ouverte (demande de brevet canadien no 2,171,279). Par contre, l'étalement de la zone colmatante résultant d'une augmentation de la rétention liquide (EL) io par bris de capillarité se fait au détriment de la rétention gazeuse (E9).
Cette situation peut obliger l'utilisation d'une aération forcée mécaniquement ou le renouvellement fréquent du massif filtrant.
Sommaire de l'invention La présente invention vise un massif orienté de filtration d'un fluide, le ls fluide s'écoulant dans le massif en suivant une certaine direction d'écoulement, le massif comprenant une juxtaposition de couches de matériels de porosités différentes s'étendant dans une même direction qui, en usage, est substantiellement parallèle à la direction d'écoulement du fluide permettant ainsi de contrôler les différents phénomènes 2o métaboliques et physiques d'accumulation ou d'échange s'établissant dans le massif filtrant.
Par massif orienté de filtration, on entend tout aussi bien un massif pour la biofiltration d'un fluide.
Par juxtaposition de couches, on entend tout aussi bien l'alternance de 2s couches que l'inclusion de différentes couches de matëriels tel qu'il le sera plus amplement décrit ci-après.

La juxtaposition des matériels de porosité différentes peut se faire aussi bien dans un plan vertical, horizontal ou intermédiaire.
Ainsi, la présente invention vise aussi un massif orienté de filtration ou de biofiltration d'un fluide formé par l'alternance ou l'inclusion, dans un plan s vertical, horizontal ou intermédiaire, de matériels de porosités différentes alimentés verticalement ou horizontalement. Ä titre d'exemple pour le traitement d'un liquide, un massif filtrant constitué par une superposition de matériels doit être alimenté horizontalement, en mode complètement ou partiellement submergé, alors qu'un massif formé par une juxtaposition de io matériels doit être alimenté verticalement de façon ascendante, en mode submergé, ou de façon descendante, en mode percolant ou submergé
(figure 1 ). Dans des réacteurs ainsi formés et opérés (figure 2), l'alternance de matériels de porosités différentes créent des zones favorisant davantage, d'une part, une rétention dynamique des fluides (E~d et Egd) et, ls d'autre part, une rétention statique de ces mêmes fluides ~E~s et E9s). Par une modification des épaisseurs de matériels, de leur porosité et porométrie respectives ainsi que des vitesses d'écoulement des fluides impliqués, il est possible de mieux contrôler les différents phénomènes métaboliques et physiques d'accumulation ou d'échange s'établissant dans 2o un massif filtrant ainsi conçu. II est à noter que ce type de massif de filtration ou de biofiltration peut être utilisé à différents niveaux dans une chaîne de traitement, soit aussi bien à l'étape secondaire que tertiaire.
Aussi, une stratégie d'opération basée sur la recirculation d'une fraction de l'effluent traité peut également être prise en compte avec ce type de massif 2s de filtration ou biofiltration.
D'une part, les échanges entre les zones dominées par la rétention dynamique d'un fluide et celles dominées par la rétention statique du même fluide sont facilités lorsque la vitesse d'écoulement du fluide dans la zone dynamique est inférieure à la vitesse du transfert s'établissant entre cette dernière et la zone statique (figure 3). Dans de telles conditions, un élément dissous contenu dans un fluide s'écoulant dans la zone dynamique peut entrer en contact avec le fluide retenu dans la zone statique et le matériel constituant celle-ci. Un tel phénomène peut s permettre d'exploiter, par exemple, les propriétés réactionnelles associées à du matériel de faibles granulométries présentant des surfaces spécifiques élevées (dans la zone statique) tout en s'assurant d'une perméabilité ou conductivité compatible avec des capacités de traitement intéressante (dans la zone dynamique) pour un fluide donné.
io D'autre part, ce type de massif de filtration ou de biofiltration permet un bon étalement horizontal ou vertical du matériel particulaire retenu (Esp) provenant du fluide à traiter et de la biomasse (Esb) se développant. Ä titre d'exemple, dans un massif vertical de biofiltration d'un liquide opérer en mode percolation, la biomasse aura davantage tendance â se développer, is dans un premier temps, à l'intérieur des zones statiques (ERS) ou à
l'interface des zones statiques et dynamiques, lâ où les forces de cisaillement sont moindres ou absentes, si le choix des matériels et des conditions d'opération facilitent le transfert des éléments dissous entre les zones statiques et dynamiques. En permettant une meilleure répartition 2o verticale du matériel solide accumulé (ssp) ou néo-formée (Esb), de telles conditions d'opération favorisent donc la conservation à long terme d'une rétention gazeuse sur toute la hauteur du lit filtrant et d'un meilleur écoulement des fluides gazeux ou liquide.
De plus, ce même type de réacteur décrit ci-haut peut présenter un niveau 2s d'humidité, associée à la rétention liquide statique (E~s), suffisant pour maintenir une activité catabolique en période d'arrët du réacteur favorisant ainsi une réduction de la biomasse accumulée (ssb). Suite à la remise en opération, la biomasse pourra reprendre rapidement son activité
anabolique, celle-ci ne se trouvant pas dans un état de déshydratation provoquant la mort des microorganismes ou leur transformation dans une forme de résistance quelconque.
Description de modes de réalisations préférentielles La fabrication de massifs de filtration ou de biofiltration formés par s l'alternance ou l'inclusion dans un plan donné de sections de matériels de porosités différentes peut &tre réalisée de diverses façons. A titre d'exemple et de façon non limitative, trois exemples de mode de fabrication sont présentés ci-dessous.
Un massif de filtration ou de biofiltration vertical formé de couches io juxtaposées peut ëtre fabriqué par l'enroulement d'une nappe de fibres textiles, tel un géotextile, recouverte préalablement d'une couche uniforme de matériel en vrac tel que du sable ou de la tourbe. Une fois l'enroulement complété et consolidé, le rouleau ainsi formé pourra être utilisé en position verticale en mode d'alimentation percolant ou submergé (figure 4). Un ls autre de mode de fabrication consiste en l'empilement dans un réservoir ou contenant donné de couches de sable ou de tourbe alternant avec des nappes de textile. Un tel massif de filtration ou de biofiltration est davantage destiné à ëtre opéré horizontalement en mode submergé (figure
5). Un dernier exemple de mode de fabrication repose sur l'inclusion dans 2o une masse de matériel en vrac, tel que le sable ou la tourbe, de sections de formes diverses de matériels de porosité supérieure (figure 6). II est à
noter qu'un tel massif de filtration ou de biofiltration peut étre opéré
verticalement ou horizontalement.
Par ailleurs, peu importe le mode de fabrication retenu, le choix d'au moins 2s un matériel autoportant, dans un plan donné, peut permettre d'augmenter la résistance au phénoméne de compaction souvent observé dans les massifs de filtration ou de biofiltration. Avec le temps, la compaction peut réduire de façon significative la rétention gazeuse du massif et par le fait même ses capacités d'oxydation. De la même manière, la sélection d'au moins un matériel plus économique, le plus souvent en vrac, peut permettre de réduire significativement les coûts de fabrication.
s D'autres stratégies de fabrication peuvent également étre retenues en vue de permettre le remplacement d'une partie du massif ou afin d'augmenter sa capacité d'accumuler des solides (~P et Esb). L'entretien sacrificiel peut être réalisé, par exemple, en découpant un massif vertical produit par enroulement en deux sections. Comme les solides s'accumulent io davantage dans la partie supérieure du massif, le remplacement de cette dernière permet une meilleure exploitation de la section inférieure en augmentant sa durée de vie utile (figure 7). Finalement, la capacité
d'accumulation des solides peut être augmentée en utilisant un différencie) de porositë et de porométrie dans la zone d'entrée des couches is correspondant à un matériel donné. Par exemple, l'utilisation d'une mince zone de matériel très hautement poreux au dessus du matériel favorisant la rétention dynamique permet d'augmenter la capacité réservoir ou d'accumulation de solides (ssP et esb) de ce dernier dans sa partie amont (figure 8).
2o Exemales d'utilisation Les deux exemples fournis ci-dessous illustrent bien l'intérët d'un massif de bio~ltration orienté formé par l'alternance dans un plan vertical de zones de tourbe, où dominent des phénomènes de rétention statique, et de zones de fibres textiles, où dominent des phénomènes de rétention dynamique.
2s Dans les deux cas, le massif filtrant a été fabriqué par enroulement.
Le premier tableau permet de comparer la capacité de traitement pour un massif filtrant composé de 100% de tourbe avec celle d'un masif filtrant formé par l'alternance verticale de zones de tourbe et de fibres textiles non-tissées. Les deux réacteurs ont été opérés en mode percolation pendant trois mois pour le traitement d'eaux usées domestiques.
Tableau 1 Comparaison de la capacité de traitement d'un massif orienté
s vertical et de celle d'un massif 100% tourbe.
passif -Massif Paramtres Fibres textiles et 100~ de tourbe tourbe Capacit de traitement (kg de matire traite ! m2) * Matières dissoute et particulaire (DBOs et MES) Pour des efficacités de traitement comparables, il appert que le massif orienté vertical présente une capacité 4 à 5 fois supérieure à celle du massif 100°~ tourbe.
io Le tableau 2 met en lumière l'effet de la présence de zones de rétention statique (couche de tourbe) dans un massif de 40 cm de hauteur de biofiltration formé par l'enroulement d'une nappe de fibres textiles non-tissée opéré verticalement en mode de percolation. Dans ce cas, l'effluent à traiter était un lixiviat de sites d'enfouissement sanitaire contenant de is à 250 mglL de DB05, de 100 à 150 mglL de NH4 et de 60 à 100 mg/L de MES.

Tableau 2: comparaison des efficacités moyennes de traitement de massifs de géotextile enroulé verticalement avec ou sans zones de tourbe.
Avec zones Sans zone de de rtention rtention Paramtres statique statique Diffrence base de base de tourbe tourbe ~ enlvement 71 ( 15) 49 ( 13) 31 de la DBt3$

de nitrification 45 (10) 34 (9) 25 deNH4 ~ enlvement 34 (fi) 10 (9) 71 de MES

enlvement 75 (3) 48 (3) 36 des coliformes ~ enlvement 49 (6) 35 (6) 29 du fer enlvement 38 (6) 19 (6) 50 du zinc ( ) Nombre de valeurs incluses dans la moyenne s L'incorporation de couches de tourbe alternant avec les couches de fibres textiles a permis d'augmenter l'efficacité des principaux paramètres considérés.

Claims

Revendication
1.Un massif orienté de filtration d'un fluide, le fluide s'écoulant dans le massif en suivant une certaine direction d'écoulement, le massif comprenant une juxtaposition de couches de matériels de porosités différentes s'étendant dans une même direction qui, en usage, est substantiellement parallèle à la direction d'écoulement du fluide permettant ainsi de contrôler les différents phénomènes métaboliques et physiques d'accumulation ou d'échange s'établissant dans le massif filtrant.
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