FR2958281A1 - Dispositif de dephosphatation des eaux usees a ecoulement vertical et utilisations - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif de déphosphatation des eaux usées à écoulement vertical, comprenant au moins une couche de matériau granulaire constituée de roche phosphatée naturelle.
Description
DISPOSITIF DE DEPHOSPHATATION DES EAUX USEES A ECOULEMENT VERTICAL ET UTILISATIONS.
Le domaine de la présente invention est celui du traitement des eaux usées, notamment domestiques, agricoles ou industrielles. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de déphosphatation des eaux usées permettant de diminuer, en particulier, leur teneur en phosphore, et d'éviter ainsi la prolifération des végétaux aquatiques (eutrophisation).
C'est l'érosion des sols et le ruissellement des eaux de surface véhiculant notamment les fumures, généralement organiques (purins, lisiers, etc.), qui provoque la contamination des eaux par le phosphore d'origine agricole. Le phosphore d'origine industrielle ou domestique (lessives contenant des phosphates et déjections humaines en particulier) est également un facteur majeur de contamination des eaux.
Depuis les années 1970, le phosphore a été identifié comme le facteur limitant dans le contexte de l'eutrophisation des eaux douces superficielles. En effet, lorsque les conditions sont propices, notamment dans des milieux aquatiques fermés, dans lesquelles le taux de renouvellement de l'eau est faible, ou dans les cours d'eau à écoulement lent, peu ombragés, quelques dizaines de microgrammes de phosphore dissous peuvent suffire pour engendrer le développement excessif des organismes autotrophes fixateurs de carbone (« bloom algal »). Ce développement excessif ne se mesure pas toujours, dans le cas des cyanobactéries, par les taux de chlorophylle.
Le développement excessif des organismes autotrophes peut avoir les conséquences suivantes : a) le développement excessif des algues microscopiques augmente la turbidité de l'eau et rend ainsi les eaux des lacs, étangs et autres plans d'eau naturels ou artificiels, impropres à la baignade publique surveillée, puisque une visibilité au-delà de 1 m de profondeur est requise, en plus d'une bonne qualité bactériologique des eaux, afin d'être en conformité avec la réglementation en vigueur en France en particulier. Par ailleurs, la présence de certaines algues supérieures, comme les algues filamenteuses est ressentie comme peu attrayante par les baigneurs. b) les cyanobactéries produisent des toxines qui rendent les eaux impropres à la baignade et inutilisables pour la production d'eau potable. Le développement des cyanobactéries est également favorisé par la turbidité de l'eau. c) l'augmentation excessive de la production primaire de biomasse végétale crée des phénomènes d'eutrophisation, en engendrant, lors de leur décomposition, une augmentation excessive de la population des organismes décomposeurs hétérotrophes qui consomment alors des quantités excessives d'oxygène, de sorte que la quantité disponible par apport naturel est limitée dans les écosystèmes aquatiques (l'oxygénation naturelle va en diminuant des cours d'eau torrentiels, généralement en amont des bassins versants, vers des eaux à écoulement lent, voir stagnantes, en aval), au détriment des organismes supérieurs de la chaine trophique, et en premier lieu des poissons salmonidés. Même là où l'eau n'est appréciée que pour son agrément visuel, l'odorat peut ne pas se satisfaire des exhalaisons des masses végétales en voie de décomposition.
Le phosphore doit donc être traité au même titre que les autres pollutions, notamment la pollution liée à une concentration excessive de matière organique, d'azote ou de produit ammoniaqué. Le problème lié au traitement du phosphore est que, à la différence de l'azote et des matières organiques, le phosphore ne peut être transformé, par dégradation microbienne, en une molécule sans impact ou à l'impact limité, sur la vie aquatique. Les procédés classiques de traitement biologique des eaux usées, performants quant au traitement des matières organique et azotée, ont donc intrinsèquement peu d'impact sur le phosphore.
L'élément phosphore ne peut être retenu que physiquement. Dans les procédés de traitement classiques, il convient donc de le retirer régulièrement du système de traitement lorsque son accumulation excessive l'impose.
Dans le système de traitement dit « traitement à boues activées », le traitement du phosphore est généralement assuré par voie physico-chimique. Ce traitement consiste en l'adjonction de sels de fer ou d'aluminium qui permettent la précipitation du phosphore. Ce dernier peut alors être retiré du système avec les boues biologiques (microorganismes) en excès. L'élimination régulière (jusqu'à une fois par jour) des boues biologiques contenant le phosphore précipité, ainsi que leur valorisation ultérieure, est nécessaire et constitue l'une des principales contraintes de ce système de traitement. D'autres contraintes sont liées aux coûts d'exploitation élevés (liés, en partie, à la technicité des régulations, des manipulations telles que le renouvellement des réactifs de coagulation/floculation, ainsi qu'à la nécessité d'une main d'oeuvre qualifiée et, plus particulièrement pour les stations d'épuration de petite taille [correspondant à environ 1000 équivalent-habitants ou moins] à un manque de fiabilité lié à la difficulté de maîtriser les apports hydrauliques dans ce genre de structure particulièrement sensible aux surcharges hydrauliques à l'origine d'une diminution de l'efficacité de l'étape clarification (séparation solides/liquides par sédimentation).
En raison des difficultés associées au système de traitement « à boues activées » (décrites 10 précédemment), l'homme du métier préconise habituellement aux petites collectivités la mise en place de station de lagunage ou de systèmes dits « à cultures fixées ».
Une station de lagunage est constituée d'une série de plans d'eau artificiels d'assez faible profondeur. Les premiers plans d'eau de la série peuvent être aérés. Lorsqu'ils ne sont pas 15 aérés (lagunage dit « naturel »), la surface des plans d'eau doit être importante (11 à 12 m2 de plan d'eau par équivalent habitant, répartis en au moins trois bassins). La rétention des phosphores dans un tel dispositif de lagunage naturel est soumise à des variations saisonnières (liées à la variation des équilibres biologiques selon les saisons) et une bonne partie est stockée dans les boues qui s'accumulent dans les bassins et sont susceptibles d'être relarguées 20 (suite à la dégradation naturelle de boues minéralisées par exemple) de sorte que le respect d'un niveau stable des rejets n'est pas envisageable. L'efficacité du lagunage naturel, concernant le traitement des matières organiques en particulier, est par ailleurs considérée comme médiocre par l'homme du métier: il est compris entre environ 60% et 70% en période estivale (FNDAE n°22). 25 Les systèmes dits « à cultures fixées » peuvent être très compacts (filtres bactérien et disques biologiques par exemple). Il existe également des systèmes « à cultures fixées » semi-extensifs. C'est le cas des « filtres plantés de roseaux » (environ 2m2 de surface de filtration par équivalent-habitant) utilisés 30 dans de nombreuses collectivités, y compris dans des collectivités comprenant plusieurs milliers d'habitants. Les filtres plantés de roseaux sont fiables, efficaces pour traiter les matières organique et azotée, et d'exploitation simple. Ils peuvent en outre être utilisés pour transformer en terreau les matières organiques solides contenues dans les eaux usées. Ce terreau, qui s'accumule à raison de 1 à 2 cm par an sur la surface des filtres du premier étage de traitement, doit être éliminé tous les dix ans environ. L'inconvénient principal du filtre planté de roseaux consiste dans son rendement très faible en ce qui concerne le phosphore. Il ne permet en effet de filtrer que 30% (en moyenne) du 5 phosphore présent dans les eaux usées. Certains filtres plus récents comprenant un substrat filtrant, ou matériau filtrant, contenant du fer et/ou de l'aluminium, permettent d'obtenir de meilleurs rendements. Toutefois, ces derniers saturent rapidement dans la mesure où la rétention du phosphore se fait par adsorption sur des sites échangeurs de surface. Le matériau filtrant doit donc être changé 10 fréquemment, à savoir tous les 2 ou 3 ans environ (Vohla et al., 2009).
Le brevet FR2873678 décrit un dispositif de déphosphatation des eaux usées du type filtre planté à écoulement horizontal constitué d'un lit de matériau granulaire. Ce lit est constitué, au moins dans la partie avale du filtre, de roches naturelles phosphatées telles que les apatites. 15 La granulométrie de l'apatite doit être supérieure à environ 6 mm pour garantir le bon fonctionnement hydraulique de ce dispositif à écoulement horizontal. Dans ce système, les orthophosphates (o-PO43-) dissous dans les eaux à traiter traversant le filtre sont retenus par adsorption-précipitation au contact desdites roches.
20 Les auteurs de FR2873678 déconseillent l'utilisation des filtres plantés à écoulement vertical dont ils considèrent qu'ils ne permettent pas de traiter de manière suffisamment efficace la pollution liée à la présence, dans les eaux usées, de nutriments tels que le phosphore ou l'azote (cf. page 1, lignes 20-22).
25 Le besoin d'un dispositif de déphosphatation efficace des eaux usées permettant d'obtenir, simplement et à un coût acceptable, des eaux épurées présentant une teneur basse (concentration de phosphore inférieure à 2mg /L d'eau épurée) et stable en phosphore (conformément aux exigences réglementaires), tout en s'affranchissant sur de longues périodes des contraintes liées à la gestion des boues résiduaires ou au remplacement des 30 matériaux et/ou massifs filtrants, existe depuis plusieurs décennies. Ce besoin se fait plus particulièrement ressentir dans les communes de moins de 2000 habitants, dans lesquelles les filtres plantés de roseaux sont utilisés de manière préférée.
La présente invention fournit une solution aux problèmes, décrits ci-dessus, rencontrés dans l'art antérieur.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de déphosphatation des eaux usées à écoulement vertical comprenant au moins une couche de matériau granulaire. De préférence, ledit matériau granulaire est constitué de roche phosphatée naturelle ou en comprend. Il peut s'agir par exemple de phosphate de calcium. 10 Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le dispositif de déphosphatation des eaux usées à écoulement vertical comprend au moins une couche constituée de roche phosphatée naturelle, ladite roche phosphatée naturelle étant de préférence de l'apatite.
15 Le matériau granulaire constitué d'apatite ou en contenant, préférentiellement utilisé dans le cadre de la présente invention, présente une capacité de rétention du phosphore élevée (supérieure à 14g de phosphate par kg de roche phosphatée naturelle contenant des apatites), stable au cours du temps, et significativement supérieure à celle des autres matériaux classiquement utilisés dans l'art antérieur (0,2 à 10 g de phosphate par kg de matériau), tels 20 que les matériaux filtrants contenant du fer et/ou de l'aluminium mentionnés précédemment. Par ailleurs, les roches phosphatées naturelles selon l'invention, en particulier celles constituées d'apatite ou en contenant, possèdent des propriétés physico-chimiques intéressantes et présentent une capacité de rétention du phosphore importante sur le long terme, plus élevée que celles observées avec les autres matériaux. 25 Les apatites représentent la variété la plus abondante et la plus stable des phosphates calciques (rapport molaire Ca/P= 1,67). Ces apatites peuvent être d'origine magmatique ou sédimentaire.
30 La structure des apatites tolère la substitution de plusieurs éléments, notamment celle des carbonates. Par conséquent, il existe une cinquantaine de type d'apatites présentant des propriétés minéralogiques, physiques et chimiques différentes. L'apatite utilisée dans le contexte de la présente invention est de préférence choisie parmi une fluoroapatite carbonatée5 (Ca5(PO4)3F), en particulier d'origine sédimentaire, une hydroxyapatite (Ca5(PO4)3OH) et une chloroapatite (Ca5(PO4)3C1).
Les roches phosphatées naturelles, en particulier celles constituées d'apatite ou en contenant, sont extraites de gisements présents dans différentes régions du monde telles que l'Afrique du Nord (Tunisie, Algérie, Maroc), l'Afrique de l'Ouest, les USA, la Russie, Madagascar, et la Chine. La plupart de ces gisements sédimentaires contiennent des variétés de fluoroapatite carbonatée.
Lorsque la roche phosphatée naturelle utilisée contient de l'apatite, la rétention se fait par cristallisation de l'apatite autour des cristaux d'apatite existants faisant office de germe de nucléation. Les roches phosphatées naturelles contenant de l'apatite n'engendrent pas les problèmes de stabilité du pH du milieu rencontrés avec les matériaux à base de carbonate de calcium qui rendent incompatible leur utilisation avec le respect des normes de rejet imposées par l'arrêté interministériel français du 22 juin 2007 imposant en particulier un pH compris entre 6 et 8,5. Les matériaux à base de carbonate de calcium peuvent en effet être responsables d'une augmentation du pH au-dessus de 8,5.
Les phosphates naturels peuvent présenter une large gamme de propriétés physiques en fonction de leur origine géologique ainsi que de la taille et de la nature de la gangue. Les apatites pures préférentiellement utilisées dans le cadre de l'invention présentent une granulométrie assez fine (distribution granulométrique de type gaussienne centrée sur 0,1 mm).
La granulométrie de l'apatite pure ou naturelle est ainsi classiquement comprise entre environ 0,01 et environ 2 mm. Dans le cadre de la présente invention, elles peuvent être utilisées sans tamisage excessif de la roche naturelle phosphatée et sans transformation. La granulométrie de l'apatite utilisée peut être par exemple de 0,01, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 1, 1,5 ou 2 mm. Il est toutefois possible d'utiliser, dans le cadre de la présente invention, une roche phosphatée naturelle, en particulier une apatite, dont la granulométrie est comprise entre 0,01 mm et 6 mm, par exemple entre 2 mm et 6 mm, plus particulièrement de 3, 4 ou 5 mm.
Le dispositif de déphosphatation des eaux usées selon l'invention est un dispositif à écoulement vertical (encore appelé dispositif à percolation verticale). Ce dispositif à écoulement vertical comprend un bassin, de préférence un bassin étanche, comprenant un massif filtrant constitué d'au moins une couche, de préférence plusieurs couches, de matériaux granulaires ou particulaires dont la nature et la granulométrie peuvent être adaptées par l'homme du métier. Lorsque le dispositif ne contient qu'une couche de matériau granulaire, celle-ci est constituée de roche naturelle phosphatée ou en comprend. En particulier, elle peut être constituée d'apatite, de préférence d'une fluoroapatite carbonatée, ou en comprendre.
Le dispositif selon l'invention peut être à flux descendant ou à flux ascendant. Il peut en outre être librement drainé (c'est-à-dire non saturé en eau), ou au contraire maintenu en charge (c'est-à-dire saturé en eau). Dans un dispositif de déphosphatation vertical à flux descendant, non saturé en eau, les eaux usées, réparties à la surface du dispositif, s'écoulent librement du haut vers le bas (gravitairement). Celles-ci sont drainées à travers le massif filtrant jusqu'au fond du dispositif, puis récupérées, par exemple par des drains. 20 Dans un dispositif de déphosphatation vertical à flux ascendant et saturé en eau, les eaux usées, réparties au fond du dispositif, de préférence sur l'ensemble de sa surface, par un système d'alimentation adapté, transitent verticalement à travers le massif filtrant et jusqu'à la surface du dispositif, puis sont récupérées, par exemple par un système de surverse. Ce 25 dispositif présente l'intérêt majeur d'augmenter le temps de contact de l'effluent d'eaux usées avec le matériau filtrant d'intérêt, à savoir la couche de matériau granulaire obligatoirement présente (telle que définie ci-dessus, i.e., constituée de roche naturelle phosphatée ou en comprenant).
30 Dans un dispositif de déphosphatation vertical à flux descendant et saturé en eau, les eaux usées, réparties à la surface du dispositif, s'écoulent librement du haut vers le bas à travers un massif filtrant saturé d'eau (la hauteur de saturation pouvant être réglée à l'aide de moyens connus de l'homme du métier) jusqu'au fond du dispositif où elles sont récupérées, par15 exemple par des drains, éventuellement connectés à un système de mise en charge de hauteur réglable (selon des modalités à la portée de l'homme du métier).
Un dispositif particulier décrit dans le contexte de la présente invention et particulièrement 5 préféré est un dispositif de déphosphatation à flux vertical ascendant, typiquement saturé en eau.
Lorsque le dispositif à écoulement vertical selon l'invention est un dispositif de déphosphatation à flux descendant, qu'il soit saturé en eau ou non saturé, la granulométrie du 10 matériau granulaire est celle de l'apatite dans son état naturelle. En d'autres termes, la granulométrie du matériau granulaire est avantageusement comprise entre environ 0,01 et environ 2 mm, par exemple 0,01, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 1, ou 1,5 mm. Il est toutefois possible d'utiliser, dans le cadre de la présente invention un matériau granulaire dont la granulométrie est comprise entre 0,01 mm et 6 mm, par exemple entre 2 mm et 6 mm, plus 15 particulièrement de 3, 4 ou 5 mm. De manière encore plus préférée, le matériau granulaire est constitué de roche phosphatée naturelle (de préférence d'apatite) ou en comprend et ce matériau présente, de préférence, une dio (maille du tamis laissant passer 10% en masse du matériau) supérieure ou égale à environ 0,3 mm. 20 Dans un dispositif de déphosphatation à flux descendant, la couche de matériau granulaire, de préférence constituée de roche phosphatée naturelle, est de préférence avantageusement située à la surface du dispositif.
25 Un autre dispositif particulier de déphosphatation à flux descendant, librement drainé, selon l'invention, comprend au moins une couche Cl de matériau granulaire dont la granulométrie peut être inférieure à 4 mm, et est typiquement comprise entre 0,1 et 8 mm, ladite couche Cl étant de préférence située à la surface du dispositif, et ladite couche de matériau granulaire, constituée de roche phosphatée naturelle (de préférence d'apatite) ou en comprenant, étant 30 avantageusement située en dessous de ladite couche Cl. La couche Cl de matériau granulaire peut être par exemple une couche de sable, dont la granulométrie est typiquement comprise entre 0,01 et 4 mm environ, par exemple 1 mm, et comprend de préférence une dio supérieur à 0,3 mm et/ou un coefficient d'uniformité (CU=dio/d6o) compris entre environ 2 et 5, ou une couche de gravier dont la granulométrie est typiquement comprise entre 2 et 10 mm environ, par exemple entre 2 et 8 mm, 2 et 6 mm, 2 et 4 mm, 4 et 6 mm ou 6 et 10 mm environ.
Un autre dispositif particulier de déphosphatation à flux descendant et librement drainé, ou à flux ascendant, selon l'invention, comprend au moins deux, trois ou quatre couches de matériau granulaire constituée de roche phosphatée naturelle (de préférence d'apatite) ou en comprenant, séparées les unes des autres par au moins une couche Cl de matériau granulaire dont la granulométrie est telle que définie ci-dessus. De préférence la couche de surface du dispositif est une couche de matériau granulaire de type couche Cl.
Un tel dispositif de déphosphatation à flux descendant et librement drainé offre un gradient hydraulique avantageux en particulier lorsque le massif filtrant présente une conductivité hydraulique (aptitude d'un milieu poreux à permettre le déplacement d'une phase liquide) faible.
Un tel dispositif de déphosphatation à flux descendant, qu'il soit saturé ou non saturé, peut avantageusement être combiné à un dispositif connu de l'art antérieur, tel qu'un dispositif de lagunage. De manière préférée, le dispositif de lagunage est placé en amont du dispositif selon l'invention. L'écoulement lent de l'eau lorsque le flux est saturé favorise le maintien des algues à la surface du dispositif et facilite ainsi leur récupération.
Un autre dispositif particulier, décrit dans le contexte de la présente invention, est un dispositif de déphosphatation à flux ascendant, en particulier un dispositif de déphosphatation à flux ascendant et saturé en eau.
Lorsque le dispositif à écoulement vertical selon l'invention est un dispositif de déphosphatation à flux ascendant et à flux saturé en eau, la granulométrie du matériau granulaire est avantageusement comprise environ 0,01 et environ 2 mm, par exemple 0,01, 0,1, 0,5, 1, 1,5 ou 2 mm, et le matériau granulaire présente de préférence, une dso environ égal à 0,2 mm. De manière encore plus préférée, le matériau granulaire est de la roche phosphatée naturelle constituée d'apatite en ou en comprenant. Il est toutefois possible d'utiliser, dans le cadre de ce dispositif à écoulement vertical un matériau granulaire dont la granulométrie est comprise entre 0,01 mm et 6 mm, par exemple entre 2 mm et 6 mm, plus particulièrement de 3, 4 ou 5 mm.
Un tel dispositif de déphosphatation à flux ascendant et saturé en eau offre un gradient hydraulique particulièrement avantageux lorsque le matériau granulaire est caractérisé par une dso comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm. Un tel dispositif peut avantageusement être combiné à un dispositif connu de l'art antérieur tel qu'un dispositif comprenant un étage de traitement permettant la recirculation des eaux, disposé de manière préférée en amont du dispositif selon l'invention.
10 La surface des dispositifs décrits dans le contexte de la présente invention peut avantageusement être plantée de roseaux, par exemple Phragmitis australis, qui ont à la fois : - un effet de déshydratation des boues par évapotranspiration, - un effet de floculation des matières organiques dissoutes, - un effet mécanique de décolmatage par les rhizomes, 15 - un effet d'oxygénation et de contrôle de la microflore dans le massif filtrant. Ces roseaux assurent l'oxygénation de l'effluent en surface.
La surface des dispositifs décrits dans le contexte de la présente invention peut en outre comprendre une couche de nature organique.
Le dispositif de déphosphatation de l'invention garantit sur le long terme (20 à 30 ans) un excellent niveau de rejet des phosphates. Les eaux épurées récupérées à la sortir du dispositif présentent une teneur en phosphates inférieure à 2 mg de phosphore par litre d'eau épurée, de préférence inférieure à 1 mg de phosphore par litre d'eau épurée.
La durée de vie du dispositif selon l'invention n'est limitée, à terme, que par le colmatage du dispositif, lié par exemple à la formation de cristaux d'apatites précipités à la surface du matériau filtrant constitué d'apatite ou en comprenant.
30 La présente invention concerne par ailleurs une station d'épuration comprenant un dispositif selon l'invention, par exemple une station ou un dispositif adapté à une commune comprenant au plus 2000 équivalent-habitants. A l'intérieur de la station d'épuration, le dispositif selon l'invention peut être présent à raison de plus d'une unité, par exemple à raison de 2 ou 3 unités, qui peuvent fonctionner en alternance. 20 25 L'invention concerne également un procédé de traitement d'eaux usées mettant en oeuvre un dispositif selon l'invention.
D'autres aspects et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention.
LEGENDES DES FIGURES La Figure 1 est une coupe d'un filtre à écoulement vertical librement drainé.
La Figure 2 est une coupe d'un filtre à écoulement vertical en charge.
La Figure 3 est une coupe d'un filtre à écoulement vertical à flux ascendant.
La Figure 4 est une coupe d'un filtre à écoulement vertical librement drainé tel qu'utilisé dans la station expérimentale de Murs (cf. partie expérimentale).
La Figure 5 représente le schéma de principe d'un second étage de traitement (Station de Murs)
SECTION EXPERIMENTALE 25 1 CONTEXTE DE L'ETUDE
La station à filtres plantés de roseaux (procédé Phragmifiltré) est dimensionnée pour traiter les eaux d'un VVF : eaux vannes et eaux ménagères des pavillons, y compris les douches de la piscine (exceptées les eaux de piscine). Sa capacité est de 150 Equivalents-habitants (EqH), 30 et elle fonctionne exclusivement en saison estivale (de mai à septembre), depuis mai 2005. Elle est constituée d'un premier étage constitué de 3 filtres à écoulement vertical et d'un deuxième étage constitué de 2 filtres à écoulement vertical.
L'étude concerne le deuxième étage dans lequel l'un des filtres est constitué de roches naturelles phosphatées contenant des apatites. Il s'agit de phosphate de calcium à Basse Teneur en phosphore (P), en couche de 30 cm (soit 13,5 m3, pour une surface de filtre de 45 m2).
L'hydroxyapatite Ca5(PO4)3OH est testée car elle représente le plus stable des précipités de phosphates de calcium (Van der Houwen et al, 2003). L'utilisation de l'apatite permet théoriquement de baisser la barrière énergétique d'activation et d'ainsi favoriser la précipitation du phosphore contenu dans les eaux (Bellier et al, 2006 ; Molle et al, 2005), de la même manière qu'un catalyseur. Les phosphates cristallisent donc en surface ou à côté des particules d'apatite, sous forme de phosphate de calcium.
2 PROTOCOLE EXPERIMENTAL Un suivi de l'installation expérimentale décrite ci-après a été réalisé au cours des étés 2005 à 2008. Les débits entrant ont été estimés par un compteur de bâchées, en considérant un volume de siphon de 1,2 m3 alors que les débits sortants ont été estimés par un canal de comptage de type Venturi. Les prélèvements étaient de types ponctuels : prélèvements d'eaux d'entrée station et de sortie station plusieurs fois par semaine sur l'ensemble des acquisitions de données à l'exception de l'année 2007 où un suivi selon des bilans 24h ont été effectués (mesures imposées par la Directive Eaux Résiduaires du 21 mai 1991). Enfin, au cours de la campagne de mesures menée en 2007, un traçage au NaCl a permis d'estimer le temps de séjour de l'effluent dans le filtre à apatite.
Le schéma de principe de l'installation suivie ainsi que la coupe descriptive du filtre à apatite apparaissent respectivement dans les figures 5 et 4.
3 RESULTATS 3.1 Charge hydraulique et temps de séjour L'exploitation des données du traçage a permis de mettre en évidence que lorsque la station fonctionne à moins de 50 % de sa charge hydraulique (0,2m.j-' sur le deuxième étage), le temps de séjour des effluents dans le filtre est d'environ 5h. 3.2 CHARGES ORGANIQUES ET TRAITEMENT DU PHOSPHORE 3.2.1 Charges organiques :
Les rendements sont fournis grâce aux calculs des charges organiques traitées et sont synthétisés dans le tableau 1 ci après. Les valeurs de demande chimique en oxygène (DCO) sont très variables selon les années, mais les concentrations de sorties et rendements sont très corrects (< 125 mg DCO.L-1 selon la circulaire du 17 février 1997, pour un traitement de niveau D4).
Tableau 1 : Concentrations et rendements en DCO DCOentrée DCOentrée DCOsortie lit ~ DCOsortie lit 2 Rdmt lit Rdmt lit 2 Station Etage 2 1 apatite 2005 315* (73)** - 43 (23) 29 (27) 90 % 88 % 2006 771 (240) - 36 (18) 36 (14) 96 % 95 % 2007 - 37 (10) - < 30 - - 2008 625 37.2 40.3 91 % 93,5 % *Concentration en mgr * *Ecart-type 3.2.2 Charges en phosphore :
L'évolution des concentrations moyennes mesurées en entrée et sortie des filtres ainsi que les performances épuratoires en fonction du temps sont synthétisées dans les tableaux suivants : Tableau 2 : Concentrations phosphates et phosphore total Concentration en mg/1 Entrée STEP Sortie 1er Sortie Sortie Sortie Sortie lit étage lit 1 lit 2 lit 1 2 apatite apatite 5 10 P-PO43 Pt P- Pt P-PO43 Pt PO43- 10 3,2 3,8 2005 15 (10) - - 0,4 (0,2) 0,6 (0,6) (4,4)* (1,0) (2,5) 2006 7,9 10,5 - - 3,2 1,5 4,1 1,8 9,9 9,7 2,5 2007 - 2,2 (0,2) - (3,2) (1,3) (0,25) 8,2 10,2 4,3 4 2008 - - 2,4 (0,6) 2,7 (0,5) (1,2) (3,1) (2,8) (2,2) *Ecart-type Tableau 3 : Rendements en phosphates et phosphore total Rendement filière globale Témoin lit 1 Apatite lit Témoin lit 1 Apatite lit 2 2 P-PO43 Pt 2005 62% 94% 67% 93% 2006 48% 81% 69% 82% 2007 (uniquement - 79% - 74% 2°d étage) 46% 72% 48% 77% 2008 On peut noter des abattements important en sortie de la filière témoin (lit n°l) lors de la première année de fonctionnement. En effet, une rétention par adsorption du matériau est opérante en début de vie, puis diminue avec le temps comme l'indiquent les rendements plus faibles observés les années suivantes.
La première année de fonctionnement a fourni de très bons rendements au regard du Phosphore, avec des abattements proches de 95 % pour le filtre constitué d'apatite. Par la suite, les performances de traitement du phosphore diminuent dans les deux configurations testées. L'apatite testée dans le cadre de cette étude permet toutefois un abattement en phosphore de plus de 70% ainsi qu'un maintien de la concentration en sortie du phosphore inférieure à 3 mg/1, tandis que le matériau témoin perd de façon significative son efficacité. 3.2.3 Cinétiques de traitement : Les cinétiques de rétention du phosphore sur la station de Murs ont été estimées et comparées (Tableau 4) ci-après avec la cinétique d'élimination observée sur la station d'Evieu décrite ci-dessous. Tableau 4 : Cinétiques de traitement du P Cinétiques d'élimination (mgP.g j-') Station MURS Station EVIEU 0,005 û 0,03 0,002 On note que les cinétiques de Murs, relativement importantes, apparaissent environ 5 fois plus élevées que sur la station d'Evieu (Ain) sur laquelle : - un filtre horizontal (traitement tertiaire) constitué d'apatite est en fonctionnement depuis décembre 2006 ; - les concentrations d'entrée sont relativement stables (z 4-6 mg.L-1) et les teneurs de sortie sont constantes (0,8 à 1 mg.L-1) ; - les rendements sont supérieurs à 80 % pour la première année d'exploitation.
4 CONCLUSION
Les performances phosphore observées dans un filtre planté de roseaux à écoulement vertical non saturé et garnis d'apatite selon l'invention sont nettement supérieures à un filtre témoin dépourvu d'apatite De plus, les concentrations de sortie apparaissent relativement stables malgré de fortes variations en entrée de station.
Les vitesses de rétention en phosphore dans la configuration testée sont significativement plus élevées (0,015 à 0,025 mgP.g'.j-' pour [P-PO43 ]entrée de 10 à 15 mg.L-1) que celles observées dans un dispositif à écoulement horizontal comprenant de l'apatite. 25 Afin d'accroitre les performances de rétention du phosphore par ce procédé, les stratégies qu'il est possible de mettre en oeuvre sont les suivantes : - Maîtriser les temps de séjours à l'intérieur du filtre en adoptant une configuration à 5 flux vertical saturé et, - Dans le cas d'un dispositif à flux vertical librement drainé, augmenter la fréquence des bâchées en entrée du 2ème étage par une diminution par exemple du volume de bâchée, afin de limiter les volumes d'eau gravitaire passant directement en sortie de filtre et d'augmenter ainsi son humectation. 10 REFERENCES
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Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de déphosphatation des eaux usées à écoulement vertical comprenant au moins une couche de matériau granulaire, ledit matériau étant constitué de roche phosphatée naturelle ou en comprenant.
- 2. Dispositif de déphosphatation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roche phosphatée naturelle est l'apatite.
- 3. Dispositif de déphosphatation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la granulométrie du matériau granulaire est comprise entre 0,01 et 2 mm.
- 4. Dispositif de déphosphatation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est à flux descendant.
- 5. Dispositif de déphosphatation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la granulométrie du matériau granulaire constituée de roche phosphatée naturelle ou en comprenant est comprise entre environ 0,01 et 2 mm et en ce que le matériau granulaire présente, de préférence, une dio supérieur ou égale à environ 0,3 mm.
- 6. Dispositif de déphosphatation selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la couche de matériau granulaire est constituée de roche phosphatée naturelle et est située à la surface du dispositif. 25
- 7. Dispositif de déphosphatation selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche Cl de matériau granulaire dont la granulométrie est comprise entre 0,1 et 8 mm, ladite couche C 1 étant située à la surface du dispositif, et en ce que la couche de matériau granulaire constituée de roche phosphatée naturelle ou en comprenant est située en dessous de ladite couche Cl. 30
- 8. Dispositif de déphosphatation selon la revendication 7, dont la couche Cl de matériau granulaire est une couche de sable ou de gravier. 20
- 9. Dispositif de déphosphatation selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il est saturé en eau.
- 10. Dispositif de déphosphatation selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il est non saturé en eau.
- 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est à flux ascendant.
- 12. Dispositif de déphosphatation selon la revendication 1l, comprenant au moins deux couches de matériau granulaire constituée de roche phosphatée naturelle ou en comprenant, séparées l'une de l'autre par au moins une couche Cl de matériau granulaire dont la granulométrie est comprise entre 0,1 et 8 mm.
- 13. Dispositif de déphosphatation selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la granulométrie du matériau granulaire constituée de roche phosphatée naturelle ou en comprenant est comprise entre 0,01 et 2 mm et en ce que le matériau granulaire présente, de préférence, une dso comprise entre environ 0,1 et 0,2 mm.
- 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est planté de roseaux.
- 15. Station d'épuration contenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.25
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