WO2017103479A1 - Procédé de purification bio-solaire d'eaux usées en vue du recyclage des eaux - Google Patents

Procédé de purification bio-solaire d'eaux usées en vue du recyclage des eaux Download PDF

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WO2017103479A1
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reactor
wastewater
water
dissolved
treatment
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PCT/FR2016/053428
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Laurent Sohier
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Helio Pur Technologies
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    • C02F3/32—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the animals or plants used, e.g. algae
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    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
    • Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy

Definitions

  • the present invention relates to a biological-solar purification process of wastewater for the recycling of purified water by the process and the recycling of the nutrients present in the wastewater and recovered at the end of the process in the form of a reusable biomass.
  • It relates more particularly to a biosolar purification process of wastewater with a view to reducing the content of particulate and dissolved organic matter (emerging organic matter and compounds and micropollutants such as pesticides and medicinal substances), dissolved inorganic and organometallic metal compounds, in microbial contaminants (conforming, fecal microflora or pathogens) and dissolved organic compounds with eutrophic effect (CO2, NH 4 , NO 2, NO 3, PO 4 , SO 4 , ).
  • the invention is in the field of solar and biological purification of wastewater, including wastewater of agricultural, industrial or domestic origin, for the recycling or reuse of purified water by lowering the water. content or elimination of dissolved compounds, microbial contaminants and particulate organic matter, and also for the recovery of dissolved mineral nutrients from organic materials (CO2, N 2 O, NH 4 , NO 2, NO 3, PO 4 , SO 4 , ...) present in the wastewater and recovered at the end of the purification in the form of a biomass for their recovery.
  • organic materials CO2, N 2 O, NH 4 , NO 2, NO 3, PO 4 , SO 4 ,
  • the wastewater is treated with primary and secondary treatments to treat, and therefore eliminate, solid or particulate organic matter or mineral matter in suspension or present in the wastewater before being discharged into the wastewater. superficial aquatic environments.
  • Such primary and secondary treatments are conventionally carried out in so-called primary and secondary treatment units, in particular of the type of biological treatment plant for domestic effluents or of the physicochemical treatment plant type of domestic, industrial or agricultural effluents incorporating or more precipitation and / or settling of suspended matter.
  • these primary and secondary treatments do not eliminate all particulate organic matter, metals and non-biodegradable compounds, and especially do not eliminate microbial contaminants fecal microflora type or pathogen. This is the reason why water from these primary and secondary treatments are then released into natural aquatic environments and not reused or recycled because they are unsuitable for uses such as irrigation, watering green spaces or reloading. groundwater.
  • the biosol purification method according to the invention is provided for the treatment, and therefore the elimination, of particulate organic matter, dissolved compounds and microbial contaminants contained in wastewater, after a pre-treatment. intended to remove excess organic matter in wastewater, with the aim of obtaining, after the purification process bio-solar, purified water compliant with standards and regulations for uses such as irrigation, the watering agricultural areas or green spaces or recharging groundwater.
  • - microbial contaminants may contain species that are dangerous for humans, animals or plants, and may also chemically and biologically modify the natural microbiodiversity of aquatic ecosystems with consequences for natural food chains.
  • large-scale treatment systems are mainly open-air systems oriented towards the treatment of organic and mineral substances, solid and particulate, with the aim of obtaining clear cleared water suspended solids.
  • Residual particulate organic matter, dissolved compounds and microorganisms from human activities are eventually treated with so-called tertiary treatments when it comes to reusing water or lowering the concentration of certain substances considered dangerous for humans or for the environment and subject to release limits by environmental regulations and standards.
  • oxidative photodegradation a phenomenon of degradation of dissolved organic molecules, including molecules that are poorly or not biodegradable, by the combined action of solar radiation, and in particular UV radiation, and dissolved oxygen
  • oxidative photodisinfection a phenomenon of elimination of microorganisms derived from microflora associated with humans, animals or plants and usually living in low-oxygen biotopes and sheltered from the sun, by the combined action of solar radiation, and in particular UV radiation, and dissolved oxygen
  • wastewater is treated by the action of the sun and photosynthetic organisms that degrade particulate matter and assimilate dissolved compounds.
  • this treatment allows a limited action of the sun and photosynthetic microorganisms because of the depth, the turbidity, the low penetration of the solar radiation and the weak dissolution of the gaseous oxygen in the superficial waters.
  • This treatment requires leaving the water exposed to the sun for several days, with consequent surfaces to treat large quantities of wastewater.
  • photosynthetic microorganisms selected to treat dissolved pollutants such as nutrients (NH 4 , NO 3, PO 4 , .. .) that are integrated into a biomass separated from water.
  • Such a method has the first disadvantage of exploiting only the photosynthetic capacities of the selected microalgae, in other words their ability to fix certain pollutants, without exploiting the development capabilities of microalgae and oxygen production.
  • this system applies primarily to the treatment of CO2-type nutrients, NO3, NH 4, PO 4, SO 4, before discharge into natural aquatic environments and does not in any case to reuse or recycle water to the after treatment.
  • a second disadvantage is the very short time of residence and exposure to the sun or artificial light, with high cell concentrations, which minimizes other solar effects. Indeed, the introduction of large quantities of biomass (microalgae) into the photobioreactor makes it very difficult to penetrate light rays, because of high density and high turbidity, with the negative impact of reducing the effects of sun and oxygen treatment of certain non-biodegradable compounds or pathogenic microorganisms .
  • a third disadvantage comes from the use of microalgae cultivated and selected, which requires laborious lab work difficult to apply and extrapolable for large scale applications.
  • a fourth disadvantage is that this process requires the use of a reactor consisting of small diameter tubes of rigid material, thus limiting the use of such a process to the treatment of small amounts of water, in particular under laboratory conditions. , with the impossibility of extrapolating the system for large volumes of water compatible with the needs of communities, industries, and farms.
  • a fifth disadvantage is the continuous extraction and reinjection of microalgae upstream of the photobioreactor, which destroys many individuals and increases the concentrations of organic dissolved compounds, thus requiring additional treatments on water before discharge in particular for water disinfection.
  • a sixth disadvantage is the presence of elbows in small diameter rigid tube reactors. These elbows promote the fouling and the deposit of the microlagues on the inner face of the tubes. This rapid fouling is very difficult to eliminate in small diameter tubes and requires the implementation of regular plant shutdowns for a complete cleaning of the installation.
  • a seventh drawback is that the biomass produced is systematically reused to reseed the wastewater introduced into the reactor. As a result, the nutrients captured by this biomass can not be recycled and recovered in the form of biomass or in a small part.
  • the object of the present invention is to solve all or part of the above disadvantages, by proposing a biosolar purification process for wastewater, for treating both particulate and dissolved organic matter, dissolved compounds (such as nitrogen and phosphorus nutrients), dissolved organic compounds, inorganic and organometallic metal compounds and xenobiotics) and microbial contaminants (pathogenic microorganisms, faecal contamination-indicating microorganisms, conformants, fecal microflora or pathogens), and which preferably operates a reactor solar which is technically and economically adapted to the treatment and recycling of large volumes of wastewater.
  • dissolved compounds such as nitrogen and phosphorus nutrients
  • dissolved organic compounds such as nitrogen and phosphorus nutrients
  • dissolved organic compounds such as nitrogen and phosphorus nutrients
  • dissolved organic compounds such as nitrogen and phosphorus nutrients
  • dissolved organic compounds such as nitrogen and phosphorus nutrients
  • dissolved organic compounds such as nitrogen and phosphorus nutrients
  • dissolved organic compounds such as nitrogen and phosphorus nutrients
  • dissolved organic compounds
  • Another object of the invention is to provide a method in which the development of photosynthetic microorganisms necessary for the treatment of wastewater is favored by exposure to solar radiation, and in particular UV radiation, resulting in:
  • the present invention provides a biosolar purification process of wastewater with a view to reducing the content of particulate and dissolved organic matter, dissolved inorganic and organometallic metal compounds, microbial contaminants and nitrogen compounds and phosphorated eutrophying effect, said method being implemented for the recycling or reuse of purified water by the process and the recycling of nitrogen and phosphorus nutrients present in the wastewater and recovered at the end of the process in the form of a biomass, said method being implemented by means of a bio-solar purification system comprising:
  • a closed reactor having at least one wastewater inlet and at least one outlet of the purified water
  • At least one wastewater delivery device connected to the inlet of the reactor;
  • At least one device for moving the wastewater present inside the reactor at least one device for moving the wastewater present inside the reactor
  • At least one device for injecting air into the wastewater present in the bio-solar purification system at least one device for injecting air into the wastewater present in the bio-solar purification system
  • At least one device for evacuating the gases produced in the reactor at least one device for evacuating the gases produced in the reactor
  • At least one device for discharging the treated water at the outlet of the reactor wherein the process comprises the following two successive periods:
  • a mixture of multispecific culture comprising a multiplicity of species among which various species of photosynthetic microorganisms including microscopic algae and photosynthetic bacteria, and various species of aerobic organotrophic bacteria;
  • this process makes it possible to treat both particulate organic matter, dissolved compounds (such as nutrients, dissolved organic compounds, inorganic and organometallic metal compounds and xenobiotics) and microbial contaminants (compliant, fecal microflora or pathogens), by intensively implementing natural phenomena observed in superficial aquatic environments (photosynthesis, biofixation, oxidative photodegradation and oxidative photodisinfection in light phase, and heterotrophic degradation and mineralization in light and dark phase), while avoiding losses evaporative water, thanks to:
  • the input flow rate in the light phase determining the dilution rate of the water as well as the residence time of the wastewater in the reactor;
  • this process is in the technical field of advanced, fast and intensive treatment of wastewater, and in particular the removal of dissolved compounds and microbial contaminants untreated by conventional biological purification techniques.
  • a luminous phase corresponds to a phase of presence of solar natural light radiation and / or of artificial light radiation, without being limited to a pure daytime natural radiation, and where the light radiation is sufficient for photosynthesis in the reactor.
  • the invention is implemented with an artificial lighting device.
  • an obscure phase corresponds to a phase without light radiation (because it is night-time and / or because a concealment of the light is provided) or with insufficient radiation for photosynthesis in the reactor, without being limited to a pure night phase.
  • the invention is implemented with a light concealment device.
  • This process applies to the reuse or recycling of wastewater because, once the dissolved compounds and dangerous microorganisms are removed, the water obtained is of a chemical and sanitary quality that is compatible with use in agricultural irrigation, watering and irrigation. agricultural spaces and green spaces, in groundwater recharge, in urban cleaning, fire and water network for sanitary and domestic floor cleaning.
  • the purpose of the present process is to purify the wastewater so that it is recycled or reused in multiple ways, and in particular in agriculture. Agriculture is by far the most water-intensive human activity, with irrigation in agricultural areas accounting for about 70% of the world's water use. Wastewater recycling, of agricultural, industrial or domestic origin, is becoming unavoidable in the face of the non-renewal of nature reserves in countries and regions suffering from permanent or seasonal water stress.
  • the process according to the invention is an inexpensive solution, applicable in particular but not only in regions of the world facing a scarcity of water sources, which allows the reuse of water, not for distribution purposes. on a drinking water network, but for essentially agricultural purposes, even for watering green spaces, reloading water tables, etc.
  • the treated wastewater is classified in the quality level that corresponds to the worst-case rating, and the allowances are measured between raw (or used) water, at the inlet of the wastewater treatment plant, and the treated wastewater (or purified water) at the outlet of the wastewater treatment plant or the supplementary treatment plant, if applicable.
  • the category with the most stringent associated standards (category A) is aimed at irrigating unprocessed vegetable crops and watering green areas open to the general public (such as golf courses).
  • the category with the lowest associated standards (Category D) is for irrigating logging forests with controlled public access.
  • the objective of the process according to the invention is to obtain, at the outlet of the reactor (in other words at the end of the process), purified water falling into categories A, B or C above.
  • the treatment of dissolved compounds and microbial contaminants is carried out by solar radiation, and in particular UV radiation, oxygen produced by photosynthetic microorganisms in the light phase and by all the microorganisms present in the reactor, thanks to the initial introduction of the multispecific culture mixture.
  • the microorganisms are brought, at the start of the process, by a single seeding with a mixture of multispecific culture; this initial seeding does not need to be renewed as long as the reactor is working and is not stopped.
  • the residence time of the water inside the reactor is between 1 and 12 hours , and especially between 2 and 10 hours.
  • the wastewater supply is carried out continuously or sequentially and according to a predefined inlet flow rate
  • the evacuation of the purified water is carried out from continuously or sequentially and according to a predefined output rate, said inlet and outlet flow rates being set to ensure a water residence time inside the reactor of between 1 and 12 hours.
  • the discharge at the outlet of the reactor of the purified water and the biomass is carried out by overflow.
  • the injection of air enriched in carbon dioxide gas is interrupted, and is provided a injecting air not enriched with gaseous carbon dioxide into the reactor; such a non-enriched CO 2 air injection promoting the heterotrophic activity of the microorganisms in the dark phase.
  • the movement of the wastewater is maintained in the reactor, in order to promote the aeration of the water and thus increase the heterotrophic activity.
  • the multispecific culture mixture also comprises at least one of the following groups of microorganisms: microscopic fungi, yeasts, bacteriophages and protozoa.
  • the process comprises a step of separating biomass and purified water discharged at the outlet of the reactor, in particular for recovering such microalgal biomass for recovery.
  • the process comprises at least one step of pre-treatment of inorganic or solid organic matter contained in the wastewater, consisting in separating all or part of the inorganic or organic solid, particulate or suspended in excess in the water before pre-treatment in the reactor, this pre-treatment step being carried out in a pre-treatment unit disposed upstream of the reactor.
  • this pre-treatment step of the solid, particulate or suspended organic matter is carried out before the purification carried out in the reactor and is intended to bring the concentration of particulate organic matter below a value favoring the penetration of the rays. solar in treated water within the reactor.
  • the method comprises a step of recovering carbon dioxide-rich gases produced by the pre-treatment unit, and a step of conveying these gases to the reactor; thus enabling the CO 2 -rich gases produced during pre-treatment to be valorised, by injecting them into the reactor to promote the treatment of the dissolved compounds and microbial contaminants in the reactor.
  • the step of evacuating gaseous oxygen consists of a regulated evacuation (in other words at a discharge rate controlled) to regulate the concentration of dissolved oxygen in treated water, to control the treatment of wastewater.
  • the step of evacuating gaseous oxygen is followed by a step of recovering gaseous oxygen evacuated, in order to promote this gaseous oxygen.
  • the method comprises a step of transporting oxygen gas discharged from the reactor (and recovered in the reactor) to the pre-treatment unit; this oxygen-rich gas recovered in the reactor is thus recovered by being injected into the pre-treatment unit in which the organic materials are oxidized and converted into CO2.
  • the bio-solar purification process is implemented by means of a biosolar purification system, of the type comprising a closed tubular reactor comprising a plurality of transparent tubes and tanks connected to the inlet reactor. and out.
  • this bio-solar purification system comprises:
  • a tubular closed reactor consisting of a plurality of transparent tubes for exposing water containing photosynthetic microorganisms to the sun in the light phase;
  • a wastewater delivery device which dilutes and brings into contact the particulate or dissolved compounds and the microbial contaminants with, on the one hand, the mutiple species of the multispecific culture mixture which are continuously developed by the supply of nutrients present in the water to be treated (without the addition of a new mixture) and with the dissolved oxygen produced by the photosynthetic microorganisms in the light phase;
  • At least one device for injecting and dissolving air in the wastewater this air being enriched with gaseous carbon dioxide in the light phase in order to increase the dissolved CO 2 concentration in the water in a light phase (CO 2 being the carbon source essential for the development of photosynthetic microorganisms present in the reactor) and this air is not enriched with carbon dioxide gas in the dark phase, in order to aerate and oxygenate the water in the reactor; at least one device for moving wastewater in the tubes of the reactor;
  • At least one device for evacuating excess oxygen gas produced by phosynthesis in the light phase at least one device for evacuating excess oxygen gas produced by phosynthesis in the light phase
  • At least one device for evacuating the purified water at the outlet of the reactor which makes it possible to recover the water after treatment in the reactor, preferably with an output flow rate equivalent to the flow rate of entry of the water into the reactor in the light phase.
  • This bio-solar purification system therefore has no device for inoculation or reinoculation of wastewater with photosynthetic microorganisms grown externally or recovered at the output of the system; only the microorganisms provided in the multispecific culture mixture at the start of the system being used to purify the water.
  • the gaseous oxygen evacuation device consists of a regulated evacuation device for regulating the concentration of dissolved oxygen in the treated water.
  • the device for evacuating gaseous oxygen is supplemented with a device for recovering gaseous oxygen evacuated.
  • the oxygen gas O 2 in excess, produced by the photosynthetic microflora is recovered to be used in particular in a pretreatment (or in an aerobic-type secondary treatment) upstream of the bio-solar purification system.
  • the device for moving wastewater comprises a downstream device comprising:
  • a device for moving water downstream of the type of water lifting device and comprising a lifting column swallows water having an upper part opening into a tank, and a bottom inlet connected to the downstream receiving tank, where the tank is connected to the downstream feed tank.
  • the advantage of proceeding with such reception tanks and downstream feed is to ensure a control of the flow in the transparent tubes of the reactor.
  • the height of the downstream receiving and supply tanks is preferably greater than the pressure losses in the reactor tubes, in order to allow a gravity flow of water in the reactor, and the volumes of the downstream tanks are advantageously calculated as a function of the flow rate. and the flow rate to be ensured in the constituent tubes of the reactor.
  • a device for injecting air and carbon dioxide gas is placed in the downstream lift column, preferably in the lower part of the downstream lift column, to ensure optimum dissolution of the carbon dioxide in the water circulating in the downstream device.
  • a gaseous oxygen evacuation device (preferably a regulated evacuation device) is disposed in the upper part of the downstream lifting column.
  • the oxygen gas O 2 in excess is discharged, and preferably recovered, in the upper part of the lift column downstream before passing into the downstream feed tank.
  • the downstream device preferably comprises at least one water-moving device (eg air-lift device or pump) between the downstream receiving tank and the inlet of the down-sweeping column.
  • water-moving device eg air-lift device or pump
  • the tubular reactor comprises transparent tubes extending linearly (without bend or junction) as follows:
  • a plurality of said tubes each having a first end connected to the outlet of the feed tank and an opposite second end opening into an upstream receiving tank;
  • each return tube having a first end disposed at the outlet of an upstream feed tank and a second end opening into the downstream receiving tank;
  • the movement device further comprises an upstream device comprising:
  • the upstream receiving tank connected to the second ends of the traveling tubes
  • the upstream supply tank connected to the first ends of the return tubes; an upstream water movement device of the water lifting device type and comprising an upstream lifting column of the water having an upper part opening into a reservoir, and an inlet in the lower part connected to the upstream receiving tank, where the tank is connected to the upstream supply tank.
  • the system has two parts (respectively upstream and downstream) each consisting of a feed tank connected to a receiving tank by a set of tubes in which the water flows; the receiving tank and the feed tank being placed side by side and a lifting column being interposed between the two tanks concerned.
  • a moving device pumps the water at the base of the receiving tank and discharges the water into the feed tank via the lift column. This transfer of water from the receiving tank to the feed tank creates a difference in water level in the tanks and causes the water to move in the reactor tubes.
  • an air injection device enriched or not with gaseous carbon dioxide is also arranged in the upstream lifting column, preferably in the lower part of the upstream lifting column, to ensure optimum gassing and degassing of the water flowing in the upstream device.
  • a device for evacuating oxygen gas is disposed in the upstream receiving tank and / or in the upper part of the upstream lifting column.
  • the upstream device preferably comprises at least one water-moving device (eg air-lift device or pump) between the upstream receiving tank and the inlet of the upstream lifting column.
  • water-moving device eg air-lift device or pump
  • the tubes are made of a transparent, flexible or flexible plastic material.
  • the separation device ensures the separation of water and biomass which contains degraded and / or metabolized dissolved elements as well as microbial contaminants killed by the combined action of sun and dissolved oxygen. After separation of the biomass, the water obtained, freed from the polluting elements dangerous for the man or the environment, can be reused for other uses or recycled for an identical use.
  • This installation thus makes it possible to obtain a water containing less dissolved compounds and microbial contaminants than that obtained by conventional treatments of primary, secondary and tertiary type and rejected usually in the natural aquatic environments.
  • This water obtained from industrial, agricultural or domestic wastewater, without loss through evaporation, can therefore be reused or recycled entirely for industrial, agricultural or domestic uses.
  • biomass separated from water can be valued for its organic content and its carbon, nitrogen and phosphorus richness.
  • the plant further comprises a wastewater pre-treatment unit, for treating solid, particulate or suspended solids present in wastewater, where said pre-treatment unit is arranged upstream of the system.
  • bio-solar purification (and therefore upstream of the reactor) being connected to the wastewater delivery device of said biosol purification system.
  • the bio-solar purification system is used to treat wastewater in which organic or inorganic materials, solid, particulate or suspended, have been previously and at least partially removed by a pre-treatment unit, according to techniques conventional treatment, such as a primary clarification system, an activated sludge-type activated sludge pond, a settling tank or settling tank, a primary continuous flow methanization unit or a reed plant filter.
  • the installation furthermore comprises an intermediate basin, in particular of the clarification basin type, settling basin or lagooning pond, arranged between the pre-treatment unit and the bio-solar purification system (and therefore between the pre-treatment unit and the reactor).
  • the reactor of the bio-solar purification system being placed downstream of the pre-treatment unit, the intermediate basin serves as a reservoir for the supply of the reactor of the biosol purification system.
  • the installation further comprises a device for recovering the carbon dioxide-rich gases produced by the pre-treatment unit, and a pipe providing the connection between this recovery device and the injection device of air, to allow to convey the carbon dioxide produced in the pre-treatment unit to the reactor.
  • the installation further comprises a device for conveying gaseous oxygen discharged from the reactor (by the gaseous oxygen evacuation device) to the pre-treatment unit.
  • FIG. 1A is a schematic view of a first treatment and recycling installation comprising a biosol purification system adapted for implementing the method according to the invention
  • FIG. 1B is a schematic view of a second treatment and recycling installation comprising a biosolar purification system adapted for carrying out the process according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of a biosolar purification system adapted for implementing the method according to the invention.
  • the installations IN of FIG. 1A and FIG. 1B and the system 1 of bio-solar purification of FIG. 2 have for their object the treatment of wastewater by the elimination of the dissolved compounds, the nitrogenous and phosphorus compounds with eutrophication effect and microbial contaminants (including pathogenic microorganisms or fecal contamination indicators), and recovery of valuable elements in phytoplankton biomass and oxygen-rich gases.
  • the treatment implemented by a system 1 adapted for the biosolar purification process according to the invention concerns the lowering of the content (or elimination) of a wide range of substances and microorganisms dangerous for humans and the environment, namely:
  • dissolved compounds of the inorganic nutrient type CO2, N 2 O, NO 3, NH 4 , PO 4 , SO 4
  • nitrogen and phosphorus compounds which are either greenhouse gases that contribute to global warming, or dissolved substances responsible for eutrophication of aquatic environments, where the purification process will metabolize these compounds through photosynthesis, which will participate in the renewal of the constituent elements of living matter (C, O, N, P, S) under form of biomass and gaseous oxygen recoverable and valued;
  • PCBs - xenobiotic-type dissolved compounds
  • the dissolved compounds of mineral or organometallic metallic type whether rare, toxic, heavy or radioactive, which are, with the purification process, fixed and incorporated into the biomass in the system 1 by the photosynthetic microorganisms, and optionally recovered , removed or recovered by biomass after separation;
  • a light phase corresponds to a day phase for natural lighting provided by the sun
  • an obscure phase corresponds to a night phase for a natural absence of lighting.
  • lighting artificial replacement or in addition to natural lighting for the light phases so a light phase within the meaning of the invention may be envisaged or extended during all or part of the night
  • an absence of artificial lighting for example by means of light concealment systems, as a replacement for or in addition to the natural absence of illumination (thus an obscure phase within the meaning of the invention may be envisaged or prolonged during all or part of the day) .
  • the IN installation comprises a biosolar purification system 1 for recycling wastewater, essentially treating the dissolved compounds and the microbial contaminants present in the wastewater.
  • the installation IN may include, downstream of the system 1, a separation device DS of the microalgal biomass "BIOM" of the waters
  • the separation device DS can implement different biomass separation techniques, depending on the quality of the water required at the end of treatment; these separation techniques can be envisaged alone or in combination, such as for example: aero-flotation, decantation, filtration on sands, zeolites, pozzolans, activated carbons, membrane techniques, centrifugation, hydrocyclone.
  • the separation device DS delivers a water outlet
  • the installation IN may comprise a final processing unit UTB of biomass "BIOM" at the output of the separation device DS.
  • This UTB final processing unit implements the destruction, recovery and / or recycling of this biomass; this biomass can indeed be stored, recovered or eliminated according to the pollutants it contains.
  • This biomass when dry, is essentially composed of proteins (40 to 50%), lipids (20 to 30%) and carbohydrates (20 to 30%), and it also contains metals according to the quantities dissolved in the treated water.
  • this biomass can find many methods of recovery, such as: animal feed, organic fertilizer, methanization associated with the methanisation of conventional biological treatment plant sludge, extraction of rare metals from leachates of mine treatment water.
  • the installation IN may comprise a finishing unit UFI of the "WATER" water treatment at the outlet of the separation device DS.
  • this finishing unit UFI implements a finishing step to eliminate residual dissolved organic compounds and / or to eliminate microorganisms that could be reintroduced into the water during the separation.
  • This UFI finishing unit can implement various techniques, alone or in combination, such as: ozonation, chlorination, filtration on carbon-type substrates, zeolites, pozzolans.
  • the IN plant comprises, upstream of the system 1, a UPR unit for pre-treatment of wastewater, for treating solid, particulate or suspended solids present in the wastewater.
  • this unit UPR implements pretreatments of primary and / or secondary type (such as an aerobic pre-treatment unit in closed fixed bed), to remove at least partly the solid, particulate or suspended, before performing the treatment of dissolved compounds and microbial contaminants in the system 1.
  • the water to be treated in the system 1 should preferably be clear and contain low concentrations of suspended solids.
  • the water to be treated entering the system 1 may have a maximum concentration of in the order of 100 to 200 mg / liter of suspended solids, without impairing the operation of the system 1.
  • the installation IN can comprise a conduit for transporting carbon dioxide "CO2" between the preprocessing unit UPR that produces CO2 and the system 1 that consumes carbon dioxide. carbon.
  • the installation may also include a conduit for carrying oxygen gas "O2" (or O2-enriched air) between the system 1 producing oxygen gas and the pre-processing unit UPR consuming oxygen.
  • O2 oxygen gas
  • the installation IN further comprises an intermediate basin BIN, in particular of the type of clarification basin or lagoon, arranged between the unit UPR and the system 1.
  • the system 1 is supplied with wastewater by the intermediate basin BIN, itself placed downstream of the unit UPR, for example of the type conventional treatment plant.
  • the volume of the intermediate basin BIN is at least equal to 1, 5 to 2 times the total capacity of the system 1 to take into account the different exploitation in light and dark phases.
  • the supply of the system 1 in wastewater from the intermediate basin BIN is continuous or sequential during the light phases of the wastewater treatment period, the residence time in the wastewater system 1 depending on the rate the hourly renewal rate of 20% corresponds for example to a residence time of 5 hours, which corresponds to the time to completely renew the water in the system 1.
  • the wastewater is thus stored in the intermediate basin BIN, before being introduced into the system 1 during the light phase of the wastewater treatment period, continuous or sequential, which already contains a water rich in photosynthetic microorganisms.
  • the feed rate and / or the dilution ratio are calculated to renew the entire volume contained in the 1 in 1 system at 10 hours depending on the amount of dissolved compounds to be treated; the optimum dilution rate being controlled by the photosynthetic microorganism density and the dissolved compound concentrations attained in the system.
  • the system 1 comprises a closed reactor provided with transparent tubes arranged on a horizontal flat surface, inclined or vertical, exposed to the sun during the day and inside which the water to be treated circulates for several hours, preferably between 1 to 10 hours, and at low speed, preferably at speeds of the order of 0.1 to 1 m / s.
  • the water circulates permanently in the reactor tubes and is exposed to solar radiation for 1 to 10 hours.
  • the photosynthesis carried out by photosynthetic microorganisms present in the waters of the reactor 2 incorporates all the nutrient-type dissolved compounds and fixes the dissolved metal compounds in a phytoplankton biomass while rejecting gaseous oxygen which accumulates in the water.
  • dissolved organic compounds with low biodegradability and contaminating microorganisms microbial contaminants
  • the photosynthetic microorganisms present in the reactor of the system 1 develop continuously by the supply of dissolved nutrients and gaseous CO 2 from a mixture of multispecific culture introduced during an initial startup period of the system 1.
  • This multispecific mixture of cultures comprises a multiplicity of species among which:
  • this initial start-up period it is planned to fill the system 1 with wastewater, before introducing this mixture of multispecific crop, then to set the wastewater in the system 1 for at least one day and one night, until predefined nitrogen and phosphorus nutrient concentrations in the wastewater reach predefined thresholds. Once these thresholds of concentratrions have been the initial start-up period gives way to a period of wastewater treatment during which purified water and biomass are recovered.
  • the system 1 does not use in operation any selected pure strain culture that would be added continuously or discontinuously and requires no laboratory or sterile inoculum culture system to seed or re-seed the water during treatment.
  • the main advantage of this system 1 is to work with local reconstituted and multispecific microflores (the multispecific mixture of cultures) offering functional, nutritional and trophic biodiversity. These diversified local reconstituted microflores adapt very quickly to variations in the composition of wastewater as well as to seasonal climatic variations.
  • the conditions of exposure to the sun and of CO 2 supply in the light phase, favor photosynthetic microorganisms among which we find essentially prokaryotes (photosynthetic bacteria, cyanobacteria) and eukaryotes (microscopic algae) which are able to recover the solar energy and to perform photosynthesis from CO 2 .
  • the tubes can be of flexible material, the injection of air enriched in CO 2 can be done directly in the water to be treated without gas treatment and sterilization system, and finally the regulated evacuation of gaseous oxygen and therefore the regulation of dissolved oxygen concentrations can be achieved simply by aspiration at the level of an expansion column located at the top of a device for lifting and moving water or directly into the tanks of the system 1 described below.
  • the treated water containing photosynthetic microorganisms is taken continuously or sequentially in the system 1, to be sent to the separation device DS.
  • the separation device DS of the biomass is not always necessary.
  • the system 1 can operate continuously or sequentially during the light phase.
  • the wastewater supply is stopped in the system 1 and the movement of the water is maintained in the system 1.
  • the air injection is maintained but without CO2 enrichment to promote the degradation of particulate organic matter and the mineralization of the dissolved organic compounds.
  • the installation IN is positioned with respect to a consumer site SC of water (community, industry, farm) as follows: the consumer site SC recovers for its uses the treated and filtered water as output of the UFI finishing unit, and discharges its wastewater for treatment to the UPR pre-treatment unit.
  • a consumer site SC of water communicate, industry, farm
  • This system 1 comprises a tubular reactor 2 (or tubular network or solar receiver) comprising a plurality of tubes 20, 21 which are transparent, parallel and juxtaposed, and more precisely :
  • tubes 20 each having a first end (at the inlet) connected to a downstream feed tank 22 forming the inlet of the tubular reactor 2 and a second opposite end (at the outlet) connected to a receiving tank upstream 23;
  • return tubes 21 each having a first end (at the inlet) connected to an upstream feed tank 24 and an opposite second end connected to a downstream receiving tank 25 forming the outlet of the tubular reactor 2.
  • the feed tanks 22 and 24 are optionally open and serve to supply water to the corresponding tubes, and the receiving tanks 23 and 25 are optionally open and serve to receive and collect the water from the corresponding tubes.
  • the tubes 20, 21 are made of a transparent flexible or flexible material, and in particular of a plastic or polymeric material, have lengths of between 5 m and 500 linear meters and diameters of between 5 and 20 centimeters, without intermediate connection, and they extend linearly without the presence of an elbow or junction; the absence of elbow advantageously allowing an easy and economical manufacture, transport and assembly, without increasing losses and energy consumption for the setting in motion of the water and the injection of gas.
  • the tubes 20, 21 are positioned on a flat and horizontal surface; the absence of elbows and radii of curvature further allowing to juxtapose the tubes without loss of useful area.
  • the absence of bends and the parallel arrangement of the tubes 20, 21 between the tanks 22, 23, 24, 25 also allow the closure of each tube at both ends, thus allowing the emptying, replacement or cleaning of each tube individually without stopping the movement in the other tubes. The internal cleaning of the tubes can thus be carried out regularly when it is necessary.
  • the tubes 20, 21 can be placed on the flat bottom of a sealed tank 26, the edges of which are raised so as to constitute a pool of depth equal to or greater than the diameter of the tubes 20, 21.
  • This waterproof tank 26 can fulfill several functions:
  • the system 1 comprises a device for moving downstream 3 ensuring the movement or circulation of water between the downstream receiving tank 25 and the downstream supply tank 22, in other words the circulation of the return tubes 21 towards the tubes 20 .
  • Such a device for moving downstream 3 is of the type of water lifting device and comprises:
  • a downstream water lifting column 30 which, on the one hand, is connected in the lower part at the bottom of the downstream receiving tank 25 by means of an inlet pipe 33 and, on the other hand, is opening in the upper part inside a tank 31;
  • the system 1 comprises a wastewater supply device which consists of a filling pipe 34 of the reactor 2, in a continuous or discontinuous manner, this filling pipe 34 being connected at the outlet to the downstream feed tank 22 and in input to the UPR unit via the BIN intermediate basin described above
  • the water lift column 30 can take different forms even if the volume and the height are calculated according to the flow rate and the required water velocity in the tubes of the reactor 2 downstream.
  • the height of the downstream feed tank 22 depends on the pressure drops in the tubes, and it can be made of plastic, wood, metal, resin or plasticized fabric.
  • the system 1 further comprises the downstream receiving tank 23 for draining the water leaving the outgoing tubes 20, this downstream receiving tank 23 being connected to the outlet of the forward tubes 20.
  • the system 1 further comprises an upstream setting device 4 ensuring the movement or circulation of water between the upstream receiving tank 23 and the upstream supply tank 24, in other words the flow of the tubes to the tubes 20 returns 21.
  • Such an upstream movement device 4 is of the type of water lifting device and comprises:
  • an upstream water lifting column 40 which, on the one hand, is connected in the lower part to the bottom of the upstream receiving tank 23 by means of an inlet pipe (not visible) and, on the other hand, part, is opening in the upper part inside a tank 41;
  • System 1 also includes:
  • a second injection device (not visible) of air and carbon dioxide gas in the lower part of the tank 41.
  • injection devices 51 provide natural air (in other words not enriched in CO2) or air enriched with CO2, the enrichment CO2 being derived in particular from the pre-treatment unit UPR or gas from combustion, mixed with ambient air, CO2 enriched air being necessary for photosynthetic microorganisms.
  • the CO2 requirements are proportional to the length of the tubes between two injections of CO2 enriched air.
  • the air is enriched in CO2 by the mixture of fresh air and combustion or fermentation gas (from a primary and secondary treatment of domestic, industrial or agricultural wastewater) containing a higher percentage of CO2. to that of the atmosphere.
  • injection devices 51 can operate under pressure or depression.
  • the air enriched with CO2 may for example be introduced under pressure into the water using a diffuser, to limit the size of the bubbles and promote gas exchange between the incoming air and the treated water.
  • the downstream 3 and upstream movement devices 4 respectively comprise first and second devices for moving wastewater in the system 1, and in particular in the reactor 2; these moving devices pass the water respectively from the downstream receiving tank 25 to the downstream feed tank 22 via the downstream lifting column 30 and the tank 31, and from the upstream receiving tank 23 to the tank 24 upstream supply via the upstream lifting column 40 and the tank 40.
  • the setting in motion of the water at low speed (circulation velocity between 0.1 and 1 m / s) in the transparent tubes requires the rise of the water in the sweeping down column 30 towards the reservoir 31 of the cooling device.
  • downstream movement 3 which then fills the inlet tank 22 by gravity via the pipe 32.
  • the rise in the water level in the downstream feed tank 22 causes a movement or movement of water of the feed tank swallows 22 to the tank of upstream reception 23 via the tubes go 20. It is the same for the rise of the water water in the upstream lift column 40 to the tank 41 of the upstream movement device 4.
  • gas lift or gasosiphon, which consists of a gas injection in the lower part of the lift column
  • the energy required to set the water in motion depends on the type of moving apparatus, the pressure drop in the tubular reactor and the flow of water to be supplied to ensure the setting in motion of the water at the desired speed.
  • the setting in motion of the water can be coupled with the injection of the air enriched with CO2. Indeed, the water is raised from the bottom of the receiving tank 25 or 23 to the tank 31 or 41 by injecting air enriched with CO2.
  • the system 1 also comprises at least one device for evacuating or degassing gaseous oxygen (not illustrated) produced by photosynthesis in the reactor 2; this evacuation device forming a regulated (or controlled) evacuation device for the regulation of dissolved oxygen concentrations.
  • the oxygen gas O2 produced by the photosynthetic microflora is eliminated at the reservoirs 31, 41 in the upper part of the lifting columns 30, 40 via the pipe 62 in which a depression makes it possible to suck the gases rich in oxygen.
  • This or these evacuation devices have the function of regularly removing the dissolved and gaseous oxygen at each passage, thus making it possible to maintain the concentration in the reactor 2 at an optimum value for the oxidative degradation and for the photosynthesis which would be inhibited. by too high concentrations.
  • Oxygen enriched air is recovered and can be recovered in a conventional heterotrophic UPR pre-treatment unit (eg fixed beds, activated sludge or aeration basins).
  • the air enriched in CO2 is preferably injected (by the injection device or devices) into the device for setting in motion and downstream of the device for evacuating gaseous oxygen in the receiving tanks.
  • the system 1 comprises at least one device for discharging the treated water at the outlet of the reactor 2, with:
  • a low line 62 located for example in the lower part of the downstream feed tank 22, when the system 1 is drained for shutdown.
  • System 1 may also include a plurality of alternate tube series alternating with series of return tubes 21, as illustrated in FIG.
  • the system 1 comprises:
  • a first series of several tubes 20a each having a first end connected to a first downstream feed tank 22a forming the inlet of the tubular reactor 2 (as shown by the arrow EN) and an opposite second end connected to a first tank upstream reception 23a;
  • a first series of several return tubes 21a each having a first end connected to a first upstream feed tank 24a and an opposite second end connected to a first downstream receiving tank 25a;
  • a second series of several tubes 20b each having a first end connected to a second downstream supply tank 22b (placed next to the first downstream receiving tank 25a) and an opposite second end connected to a second upstream receiving tank; 23b (placed next to the first upstream feed tank 24a);
  • a second series of several return tubes 21b each having a first end connected to a second upstream supply tank 24b and an opposite second end connected to a second downstream receiving tank 25b forming the outlet of the tubular reactor 2 (as shown schematically by arrow SO);
  • a first upstream movement device 4a ensuring the movement of water between the first upstream receiving tank 23a and the first upstream supply tank 24a, that is, outgoing tubes 20a of the first series to the return tubes 21a of the first series;
  • a first device for moving downstream 3a ensuring the movement of water between the first downstream receiving tank 25a and the second downstream supply tank 22b, in other words return tubes 21a of the first series to the forward tubes 20b of the second series;
  • a second upstream movement device 4b ensuring the movement of water between the second upstream receiving tank 23b and the second upstream supply tank 24b, in other words, forward tubes 20b of the second series to the return tubes 21 b of the second series;
  • the injection of air (enriched or not with CO 2 ) is carried out at the second device 3b downstream movement (as shown by the arrow AIR) and the controlled evacuation of ⁇ 2 is also performed at the level of second device for moving downstream 3b (as shown schematically by the arrow O2).
  • the "Input” column corresponds to the measurements of the parameters for the input water of the system 1 (before the implementation of the process) and the “Output” column corresponds to the measurements of the parameters for the water discharged from the system 1 (following the implementation of the process).
  • the “Abatement” column indicates the reduction (in log or percentage) of the parameters between the "Input” column and the "Output” column.

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Abstract

Procédé de purification bio-solaire d'eaux usées en vue d'en réduire la teneur en matières organiques particulaires et dissoutes, en composés métalliques minéraux et organométalliques dissous, en contaminants microbiens et en composés organiques dissous à effet eutrophisant, pour le recyclage des eaux purifiées et des nutriments récupérés à l'issue du procédé sous la forme d'une biomasse réutilisable, ave cles étapes suivantes: -alimentation en eaux usées à l'entrée d'un réacteur (2) comportant une pluralité de tubes (20, 21) transparents; -introduction dans le réacteur d'un mélange de culture multispécifique; -mise en mouvement des eaux; -en phase lumineuse, injection d'air enrichi en dioxyde de carbone gazeux, exposition à un rayonnement solaire pour un traitement par photosynthèse, biofixation, photodégradation et photodésinfection, et évacuation régulée de l'oxygène gazeux; -en phase obscure, traitement par dégradation hétérotrophe et minéralisation; -évacuation en sortie du réacteur des eaux purifiées et de la biomasse produite.

Description

Procédé de purification bio-solaire d'eaux usées en vue du recyclage des eaux
La présente invention se rapporte à un procédé de purification bio- solaire d'eaux usées pour le recyclage des eaux purifiées par le procédé et le recyclage des nutriments présents dans les eaux usées et récupérés à l'issue du procédé sous la forme d'une biomasse réutilisable.
Elle se rapporte plus particulièrement à un procédé de purification bio-solaire d'eaux usées en vue d'en réduire la teneur en matières organiques particulaires et dissoutes (matières et composés organiques et micropolluants émergents tels que des pesticides et des susbstances médicamenteuses), en composés métalliques minéraux et organométalliques dissous, en contaminants microbiens (conformes, microflores fécales ou pathogènes) et en composés organiques dissous à effet eutrophisant (CO2, NH4, NO2, NO3, PO4, SO4, ...).
L'invention se situe dans le domaine de la purification par voie solaire et biologique des eaux usées, notamment des eaux usées d'origine agricole, industrielle ou domestique, en vue du recyclage ou de la réutilisation des eaux purifiées par l'abaissement de la teneur voire l'élimination des composés dissous, des contaminants microbiens et des matières organiques particulaires, et également en vue d'une récupération des nutriments minéraux dissous issus des matières organiques (CO2, N2O, NH4, NO2, NO3, PO4, SO4, ...) présents dans les eaux usées et récupérés à l'issue de la purification sous la forme d'une biomasse en vue de leur valorisation.
De manière classique, les eaux usées font l'objet de traitements dits primaire et secondaire pour traiter, et donc éliminer, les matières - organiques ou minérales - solides, particulaires ou en suspension présentes dans les eaux usées, avant d'être rejetées dans les milieux naturels aquatiques superficiels.
De tels traitements primaire et secondaire sont classiquement réalisés dans des unités dites de traitement primaire et secondaire, notamment du type station d'épuration biologique d'effluents domestiques ou du type station de traitement physico-chimique d'effluents domestiques, industriels ou agricoles intégrant une ou plusieurs précipitations et/ou décantations des matières en suspension. Cependant, ces traitements primaire et secondaire ne permettent pas d'éliminer toutes les matières organiques particulaires, les métaux et les composés non-biodégradables, et surtout n'éliminent pas les contaminants microbiens de type microflore fécale ou pathogène. C'est la raison pour laquelle les eaux issues de ces traitements primaire et secondaire sont ensuite rejetées dans les milieux aquatiques naturels et non réutilisées ou recyclées car impropres à des usages comme l'irrigation, l'arrosage d'espaces verts ou le rechargement de nappes phréatiques.
Le procédé de purification bio-solaire conforme à l'invention est quant à lui prévu pour le traitement, et donc l'élimination, des matières organiques particulaires, des composés dissous et des contaminants microbiens contenus dans des eaux usées, après un pré-traitement destiné à éliminer les matières organiques en excès dans les eaux usées, dans le but d'obtenir, à l'issue du procédé de purification bio-solaire, des eaux purifiées conformes aux normes et réglementations pour des usages comme l'irrigation, l'arrosage d'espaces agricoles ou d'espaces verts ou le rechargement de nappes phréatiques.
De manière connue, les activités humaines - domestiques, industrielles et agricoles - génèrent et rejettent dans les les milieux aquatiques superficiels et souterrains de grandes quantités de :
- substances organiques ou minérales, solides, particulaires ou dissoutes, biodégradables ou non, qui s'accumulent dans les milieux aquatiques sous des formes de composés dissous, ou des formes solides et particulaires ;
- substances organiques et minérales contenant du carbone, de l'azote et du phosphore ou nutriments et ayant un effet europhisant sur les milieux aquatiques superficiels ou souterrains ;
- contaminants microbiens du type microorganisme ou microflore issus des activités humaines domestiques, industrielles ou agricoles.
Ces composés dissous, ces substances solides et particulaires et ces contaminants microbiens sont considérés, lorsque présents dans des eaux, comme dangereux pour l'homme et l'environnement. En effet :
- les matières organiques particulaires, les composés organiques dissous et les composés minéraux dissous, tels les nutriments, sont notamment à l'origine de l'eutrophisation des milieux aquatiques, de marées vertes, de l'acidification des océans et de la disparition de coraux, de l'accumulation de pesticides, de métaux, et de substances médicamenteuses dans les milieux aquatiques superficiels et souterrains, de tels phénomènes s'aggravant par l'évaporation en saison sèche ; et
- les contaminants microbiens peuvent contenir des espèces dangereuses pour l'homme, les animaux ou les plantes, et peuvent également modifier chimiquement et biologiquement la microbiodiversité naturelle des écosystèmes aquatiques avec des conséquences sur les chaînes alimentaires naturelles.
Dans le domaine du traitement des eaux usées, les systèmes de traitement à grande échelle sont essentiellement des systèmes ouverts à l'air libre orientés vers le traitement des substances organiques et minérales, solides et particulaires, avec pour objectif d'obtenir des eaux claires débarrassées des matières en suspension.
Les matières organiques particulaires résiduelles, les composés dissous et les microorganismes issus des activités humaines sont éventuellement traités par des traitements dits tertiaires quand il s'agit de réutiliser l'eau ou de baisser la concentration de certaines substances considérées comme dangereuses pour l'homme ou pour l'environnement et soumises à des limites de rejet par les réglementations et normes environnementales.
Dans les milieux aquatiques naturels superficiels, l'élimination des matières organiques particulaires résiduelles, des composés dissous et des contaminants microbiens est régie essentiellement par cinq phénomènes solaires et biologiques, hormis le cycle évaporation / précipitation qui n'élimine pas les composés mais les concentre, à savoir :
- la photosynthèse, un phénomène d'incorporation dans une biomasse des éléments constitutifs de la matière vivante, présents dans l'eau sous une forme minérale dissoute (CO2, NO2, NO3, NH4, PO4, SO4) tout en produisant de l'oxygène sous forme gazeuse O2 peu soluble dans l'eau ;
- la biofixation, un phénomène de récupération des éléments métalliques dissous dans l'eau sous forme minérale ou organique par les microorganismes photosynthétiques ;
- la photodégradation oxydative, phénomène de dégradation des molécules organiques dissoutes, y compris les molécules peu ou pas biodégradables, par l'action conjuguée du rayonnement solaire, et en particulier du rayonnement UV, et de l'oxygène dissous ; - la photodésinfection oxydative, phénomène d'élimination des microorganismes issus des microflores associées à l'homme, aux animaux ou aux plantes et vivant habituellement dans des biotopes peu oxygénés et à l'abri du soleil, par l'action conjuguée du rayonnement solaire, et en particulier du rayonnement UV, et de l'oxygène dissous ; et
- la dégradation hétérotrophe et la minéralisation qui transforme les matières organiques particulaires et les composés organiques dissous biodégradables en composés inorganiques dissous.
Pour procéder au traitement des matières organiques particulaires, des composés dissous et des contaminants microbiens, il est connu de mettre en place un traitement mettant en œuvre des organismes photosynthétiques :
- soit selon une pratique extensive en milieu ouvert, avec un traitement réalisé dans un bassin ouvert (lagunage) ou sur un sol filtrant planté (phytoremédiation) ;
- soit selon une pratique intensive en système clos (épuration photobiologique au sein d'un réacteur clos soumis à un rayonnement solaire ou artificiel).
Dans le traitement en bassin ouvert (lagune, bassin ou cuve), les eaux usées sont traitées par l'action du soleil et des organismes photosynthétiques qui dégradent les substances particulaires et assimilent les composés dissous. Cependant, ce traitement permet une action limitée du soleil et des microorganismes photosynthétiques du fait de la profondeur, de la turbidité, de la faible pénétration du rayonnement solaire et de la faible dissolution de l'oxygène gazeux dans les eaux superficielles. Ce traitement nécessite de laisser les eaux exposées au soleil pendant plusieurs jours, avec des surfaces conséquentes pour traiter de grandes quantités d'eaux usées.
De plus, en période d'ensolleillement ou en saison sèche le traitement en bassin ouvert pendant plusieurs jours favorise l'évaporation et donc la perte d'eau, et diminue considérablement les rendements dans le cas d'une réutilisation ou d'un recyclage des eaux ainsi traitées.
Dans le traitement sur sol filtrant, les eaux usées sont envoyées sur des sols plantés de végétaux supérieurs, de sorte que le sol filtre les polluants solides et particulaires tandis que les racines des végétaux pompent les composés dissous. Ce traitement par phytoremédiation présente de nombreux inconvénients, dont les principaux sont une efficacité limitée du sol naturel et une sensibilité aux conditions climatiques, une absence de récupération des polluants qui s'accumulent dans le sol ou les plantes, une absence de recyclage des eaux en saison sèche, et enfin un phénomène de lixiviation en saison humide.
De manière générale, les traitements en bassin ouvert ou sur sol filtrant sont sensibles aux recontaminations microbiennes par les animaux (poissons, oiseaux, mammifères) qui colonisent ces milieux comme des milieux naturels. Il s'ensuit la nécessité de retraiter ensuite les eaux ainsi traitées pour pouvoir les réutiliser sans risques sanitaires. De plus ces systèmes extensifs ouverts ne permettent pas de récupérer et recycler une grande partie des nutriments qui sont éliminés sous forme de gaz à effet de serre.
Dans le traitement en système clos, et en particulier dans un photobioréacteur tubulaire, il est connu de recourir à des microorganismes photosynthétiques (en particulier des microalgues) sélectionnées pour traiter des polluants dissous tels les nutriments (NH4, NO3, PO4, ...) qui sont intégrés dans une biomasse séparée ensuite de l'eau.
A cet effet, il est connu du document US 8 101 080 B2, de recourir à un procédé de traitement des eaux usées, impliquant l'utilisation de cultures externes de microalgues ajoutées aux eaux usées au sein d'un photobioréacteur. Les microalgues font ainsi l'objet d'une culture préalable puis, quand une quantité suffisante de microalgues est produite, celles-ci sont introduites dans le photobioréacteur pour les mettre en contact des eaux polluées contenant des nutriments dissous. Ce mélange passe dans le photobioréacteur une seule fois, pour un contact assez court, avant de séparer l'eau des microalgues qui sont ensuite récupérées en aval du photobioréacteur pour être réintroduites en amont du photobioréacteur.
Un tel procédé présente le premier inconvénient d'exploiter uniquement les capacités photosynthétiques des microalgues sélectionnées, autrement dit leurs capacités à fixer certains polluants, sans exploiter les capacités de développement des microalgues et de production d'oxygène. Ainsi, ce système s'applique en priorité au traitement des nutriments du type CO2, NO3, NH4, PO4, SO4, avant rejet dans les milieux aquatiques naturels et ne permet en aucun cas de réutiliser ou recycler les eaux à l'issue du traitement.
Un second inconvénient tient aux temps très courts de résidence et d'exposition au soleil ou à une lumière artificielle, avec des concentrations cellulaires importantes, ce qui minimise les autres effets solaires. En effet, l'introduction de grandes quantités de biomasse (les microalgues) dans le photobioréacteur rend très difficile la pénétration des rayons lumineux, du fait d'une forte densité et d'une forte turbidité, avec pour impact négatif de diminuer les effets de traitement par le soleil et l'oxygène de certains composés non biodégradables ou de microorganismes pathogènes.
Un troisième inconvénient vient de l'utilisation de microalgues cultivées et sélectionnées, ce qui nécessite un travail laborieux de laboratoire difficilement applicable et extrapolable pour des applications à grandes échelles.
Un quatrième inconvénient est que ce procédé nécessite d'employer un réacteur constitué de tubes de faible diamètre, en matériau rigide, limitant ainsi l'exploitation d'un tel procédé au traitement de faibles quantités d'eau, en particulier dans des conditions de laboratoire, avec l'impossibilité d'extrapoler le système pour des gros volumes d'eau compatibles avec les besoins des collectivités, industries, et exploitations agricoles.
Un cinquième inconvénient tient à l'extraction en continu et à la réinjection des microalgues en amont du photobioréacteur, ce qui détruit de nombreux individus et qui augmente les concentrations en composés dissous organiques, nécessitant ainsi des traitements supplémentaires sur l'eau avant rejet en particulier pour la désinfection des eaux.
Un sixième inconvénient tient à la présence de coudes dans les reacteurs en tubes rigiges de faible diamètre. Ces coudes favorisent l'encrassement et le dépôt des microlagues sur la face interne des tubes. Cet encrassement rapide est très difficile à éliminer dans des tubes de faible diamètre et nécessite de mettre en œuvre des arrêts réguliers de l'exploitation pour un nettoyage complet de l'installation.
Un septième inconvénient tient au fait que la biomasse produite est systématiquement réutilisée pour réensemencer les eaux usées introduites dans le réacteur. Il s'ensuit que les nutriments captés par cette biomasse ne peuvent être recyclés et valorisés sous la forme de biomasse ou alors en faible part.
Le procédé du document US 8 101 080 B2 n'est donc pas applicable à grande échelle, tant techniquement qu'économiquement, sans compter qu'il est certes adapté au traitement avant rejet des nutriments dissous, mais pas adapté au traitement des métaux, des xénobiotiques et des microorganismes contaminants. De plus, le procédé divulgué dans ce document US 8 101 080 B2 n'est pas applicable à la réutilisation ou au recyclage des eaux usées et des nutriments, du fait qu'il n'élimine pas les contaminants microbiens de type microflore fécale ou conformes.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les inconvénients ci-dessus, en proposant un procédé de purification bio-solaire d'eaux usées, pour traiter à la fois les matières organiques particulaires et dissoutes, les composés dissous (comme les nutriments azotés et phosphorés), les composés organiques dissous, des composés métalliques minéraux et organométalliques et les xénobiotiques) et les contaminants microbiens (microorganismes pathogènes, microorganismes indicateurs de contamination fécale, conformes, microflore fécales ou pathogènes), et qui exploite de préférence un réacteur solaire qui est adapté techniquement et économiquement au traitement et au recyclage de gros volumes d'eaux usées.
Un autre but de l'invention est de fournir un procédé dans lequel le développement de microorganismes photosynthétiques nécessaires au traitement des eaux usées est favorisé par l'exposition au rayonnement solaire, et en particulier du rayonnement UV, entraînant :
- la production d'une biomasse microalgale entièrement récupérable et valorisable ;
- la consommation des nutriments dissous présents dans les eaux usées pendant la purification ;
- la biofixation des composés métalliques dans la biomasse ;
- la production d'oxygène qui, associée au rayonnement solaire, favorise, en phase lumineuse, la dégradation photoxydative des composés non biodégradables (pesticides, médicaments) et la photodésinfection ou photodestruction des contaminants microbiens tels que les microorganismes d'origine fécale et pathogènes ;
- la dégradation et la minéralisation des matières organiques particulaires et des composés organiques biodégradables par des bactéries organotrophes aérobies.
A cet effet, la présente invention propose un procédé de purification bio-solaire d'eaux usées en vue d'en réduire la teneur en matières organiques particulaires et dissoutes, en composés métalliques minéraux et organométalliques dissous, en contaminants microbiens et en composés azotés et phosphorés à effet eutrophisant, ledit procédé étant mis en œuvre pour le recyclage ou la réutilisation des eaux purifiées par le procédé et le recyclage des nutriments azotés et phosphorés présents dans les eaux usées et récupérés à l'issue du procédé sous la forme d'une biomasse, ledit procédé étant mis en œuvre au moyen d'un système de purification bio-solaire comprenant :
- un réacteur fermé présentant au moins une entrée des eaux usées et au moins une sortie des eaux purifiées ;
- au moins un dispositif d'apport en eaux usées relié à l'entrée du réacteur ;
- au moins un dispositif de mise en mouvement des eaux usées présentes à l'intérieur du réacteur ;
- au moins un dispositif d'injection d'air dans les eaux usées présentes dans le système de purification bio-solaire ;
- au moins un dispositif d'évacuation des gaz produits dans le réacteur ;
- au moins un dispositif d'évacuation des eaux traitées en sortie du réacteur ; dans lequel le procédé comprend les deux périodes successives suivantes :
(i) une période initiale de démarrage au cours de laquelle sont mises en œuvres les étapes suivantes :
- remplissage en eaux usées du réacteur via le dispositif d'apport en eaux usées ;
- introduction dans le réacteur d'un mélange de culture multispécifique comprenant une multiplicité d'éspèces parmi lesquelles différentes espèces de microorganismes photosynthétiques incluant des algues microscopiques et des bactéries photosynthétiques, et différentes espèces de bactéries organotrophes aérobies ;
- mise en mouvement des eaux usées dans le réacteur ;
- en phase lumineuse :
- exposition à un rayonnement lumineux des eaux usées dans le réacteur et injection et dissolution d'air enrichi en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux usées, afin d'accélérer le développement des microorganismes photosynthétiques introduits dans le réacteur avec le mélange de culture multispécifique ; et - évacuation de l'oxygène gazeux produit par photosynthèse dans le réacteur pour un maintien du taux d'oxygène à l'intérieur du réacteur dans une plage prédéfinie ;
- en phase obscure, injection et dissolution d'air non enrichi en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux usées, afin d'augmenter la concentration en oxygène dissous dans les eaux et d'accélérer le développement des bactéries organotrophes aérobies introduits dans le réacteur avec le mélange de culture multispécifique ;
où la période initiale de démarrage est maitenue jusqu'à ce que des concentrations en nutriments azotés et phosphorés prédéfinis dans les eaux usées atteignent des seuils prédéfinis respectifs ;
et
(ii) une période de traitement des eaux usées, qui est engagée à la suite de la période initiale de démarrage après que lesdites concentrations en nutriments azotés et phosphorés ont atteint lesdits seuils prédéfinis respectifs, et au cours de laquelle sont mises en œuvres les étapes suivantes :
- mise en mouvement des eaux usées dans le réacteur ;
- en phase lumineuse :
- alimentation en eaux usées à l'entrée du réacteur de manière continue ou séquentielle ;
- injection et dissolution d'air enrichi en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux usées, afin d'augmenter les concentrations en oxygène et en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux et d'intensifier la photosynthèse mise en œuvre par les microorganismes photosynthétiques ; et
- exposition à un rayonnement lumineux des eaux usées dans le réacteur pour un traitement des matières organiques particulaires, des composés métalliques minéraux et organométalliques dissous, des composés organiques dissous et des contaminants microbiens par l'action combinée du rayonnement, des microorganismes photosynthétiques et de l'oxygène apporté par l'injection d'air et produit par photosynthèse ;
- évacuation en continu de l'oxygène gazeux et dissous en excès dans les eaux présentes dans le réacteur ;
- évacuation en sortie du réacteur des eaux purifiées et de la biomasse produite à partir de nutriments issus de la photodégradation de la matière organique présente dans le réacteur ;
- en phase obscure :
- arrêt de l'alimentation en eaux usées à l'entrée du réacteur ;
- injection et dissolution d'air non enrichi en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux usées, afin d'augmenter la concentration en oxygène dissous dans les eaux et d'intensifier la dégradation et la minéralisation des matières organiques particulaires et dissoutes par l'action des bactéries organotrophes aérobies ;
- évacuation en continu du dioxyde de carbone gazeux en excès dans le réacteur.
Ainsi, ce procédé permet de réaliser un traitement à la fois des matières organiques particulaires, des composés dissous (comme les nutriments, les composés organiques dissous, des composés métalliques minéraux et organométalliques et les xénobiotiques) et des contaminants microbiens (conformes, microflores fécales ou pathogènes), en mettant en œuvre de manière intensive les phénomènes naturels observés dans les milieux aquatiques superficiels (photosynthèse, biofixation, photodégradation oxydative et photodésinfection oxydative en phase lumineuse, et dégradation hétérotrophe et minéralisation en phase lumineuse et obscure), tout en évitant les pertes d'eau par évaporation, grâce à :
- une exposition à un rayonnement lumineux (tel qu'un rayonnement naturelle solaire et/ou un rayonnement artificiel) des eaux usées dans le réacteur fermé, pour la mise en œuvre des cinq phénomènes naturels susmentionnés avec le développement d'une microflore photosynthétique maintenue en développement optimal dans les eaux usées circulant dans le réacteur, ces microorganismes photosynthétiques étant apportés une seule fois, dans le mélange de culture multispécifique, au démarrage initial du réacteur, puis ces microorganismes photosynthétiques se développant ensuite de façon optimale par l'apport en continu de nutriments avec les eaux usées et l'air enrichi en CO2 ;
- une alimentation permettant de remplir le réacteur et de maintenir ensuite un apport continu ou séquentiel en phase lumineuse des eaux usées, avec une interruption de l'alimentation en phase obscure, le débit d'entrée en phase lumineuse déterminant le taux de dilution des eaux ainsi que le temps de résidence des eaux usées dans le réacteur ;
- une mise en mouvement contrôlée des eaux usées dans le réacteur optimisant l'exposition des eaux à traiter au rayonnement lumineux en phase lumineuse ;
- une injection d'air enrichi en CO2 en phase lumineuse favorisant le développement des microflores photosynthétiques ainsi que des microflores aérobies hétérotrophes dans les eaux usées ; - une injection d'air non enrichi en CO2 en phase obscure favorisant le développement des microflores aérobies hétérotrophes ;
- une évacuation de l'oxygène gazeux en excès produit par la photosynthèse s'accumulant dans le réacteur en phase lumineuse ;
- une évacuation du CO2 gazeux en excès produit par la minéralisation des matières organiques s'accumulant dans le réacteur en phase obscure ;
- une évacuation des eaux purifiées, cette évacuation se faisant en continue ou en séquentielle en phase lumineuse, au même débit que l'alimentation en entrée du réacteur, avec une interruption de l'évacuation en phase obscure ; et - une évacuation de la biomasse microalgale contenue dans les eaux purifiées, qui renferme les composés dissous dégradés et/ou métabolisés ainsi que les contaminants microbiens tués par l'action combinée du soleil et de l'oxygène dissous.
Ainsi, ce procédé se situe dans le domaine technique du traitement avancé, rapide et intensif des eaux usées, et en particulier de l'élimination des composés dissous et contaminants microbiens non traités par les techniques conventionnelles d'épuration biologique.
Il est entendu, au sens de la présente invention, qu'une phase lumineuse correspond à une phase de présence d'un rayonnement lumineux naturel solaire et/ou d'un rayonnement lumineux artificiel, sans se limiter à un pur rayonnement naturel de jour, et où le rayonnement lumineux est suffisant pour une photosynthèse dans le réacteur. Bien entendu, dans le cas où un rayonnement lumineux artificiel est prévu, l'invention est mise en œuvre avec un dispositif d'éclairage artificiel.
De manière similaire, il est entendu, au sens de la présente invention, qu'une phase obscure correspond à une phase sans rayonnement lumineux (parce qu'il fait nuit et/ou parce qu'une occultation de la lumière est prévue) ou avec un rayonnement insuffisant pour une photosynthèse dans le réacteur, sans se limiter à une pure phase de nuit. Bien entendu, dans le cas où une occultation de la lumière est prévue, l'invention est mise en œuvre avec un dispositif d'occultation de la lumière.
Ce procédé s'applique à la réutilisation ou au recyclage des eaux usées car, une fois retirés les composés dissous et les microorganismes dangereux, l'eau obtenue est d'une qualité chimique et sanitaire compatible avec une utilisation en irrigation agricole, en arrosage d'espaces agricoles et espaces verts, en rechargement de nappes phréatiques, en nettoyage urbain, en réseau incendie ainsi qu'en eau pour les sanitaires et les nettoyages de sols domestiques.
L'objet du présent procédé est de purifier les eaux usées afin que celles-ci soit recyclées ou réutilisées de manière multiple, et notamment dans l'agriculture. L'agriculture est, de loin, l'activité humaine ayant la plus grande consommation d'eau, l'irrigation des régions agricoles représentant environ 70% de l'eau utilisée dans le monde entier. Un recyclage des eaux usées, d'origine agricole, industrielle ou domestique, devient aujourd'hui incontournable face au non renouvellement des réserves naturelles dans des pays et régions souffrant de stress hydrique permanent ou saisonnier. Le procédé conforme à l'invention se propose commeune solution peu coûteuse, applicable en particulier mais pas uniquement dans des régions du monde confrontées à une raréfaction des sources d'eaux, qui permet de réutiliser l'eau, non pas à des fins de distribution sur un réseau d'eau potable, mais à des fins essentiellement agricoles, voire pour des arrosage d'espaces verts, en rechargement de nappes phréatiques, etc.
En France, la réglementation définit quatre catégories d'usage des eaux usées traitées (Arrêté du 2 août 2010 relatif à l'utilisation d'eaux issues du traitement d'épuration des eaux résiduaires urbaines pour l'irrigation de cultures ou d'espaces verts), Les quatre catégories de qualité sanitaire des eaux usées traitées (A, B, C et D) sont définies dans le tableau comme suit :
Figure imgf000014_0001
Dans ce tableau, les eaux usées traitées sont classées dans le niveau de qualité qui correspond au classement du paramètre le plus défavorable, et les abattements sont mesurés entre les eaux brutes (ou usées), en entrée de la station de traitement des eaux usées, et les eaux usées traitées (ou eaux purifiées), en sortie de la station de traitement des eaux usées ou de la filière de traitement complémentaire, le cas échéant.
La catégorie dont les normes associées sont les plus exigeantes (catégorie A) vise l'irrigation de cultures maraîchères non transformées et l'arrosage d'espaces verts ouverts au grand public (tels que les golfs). La catégorie dont les normes associées sont les moins exigeantes (catégorie D) vise l'irrigation de forêts d'exploitation avec un accès contrôlé du public.
L'objectif du procédé conforme à l'invention est d'obtenir, en sortie du réacteur (autrement dit à la fin du procédé), des eaux purifiées entrant dans les catégories A, B ou C précitées.
Dans ce procédé, le traitement des composés dissous et des contaminants microbiens est réalisé par le rayonnement solaire, et en particulier le rayonnement UV, l'oxygène produit par les microorganismes photosynthétiques en phase lumineuse et par tous les microorganismes présents dans le réacteur, grâce à l'introduction initial du mélange de culture multispécifique. Les microorganismes sont amenés, lors du démarrage du procédé, par un ensemencement unique à l'aide d'un mélange de culture multispécifique ; cet ensemencement initial n'ayant pas besoin d'être renouvelé tant que le réacteur fonctionne et n'est pas arrêté.
Selon une possibilité, durant la phase lumineuse de la période de traitement des eaux usées entre l'alimentation en eaux usées et l'évacuation des eaux purifiées, le temps de résidence des eaux à l'intérieur du réacteur est compris entre 1 et 12 heures, et notamment entre 2 et 10 heures.
Selon une autre possibilité, durant la phase lumineuse de la période de traitement des eaux usées, l'alimentation en eaux usées est réalisée de manière continue ou séquentielle et selon un débit d'entrée prédéfini, et l'évacuation des eaux purifiées est réalisée de manière continue ou séquentielle et selon un débit de sortie prédéfini, lesdits débits d'entrée et de sortie étant établis pour assurer un temps de résidence des eaux à l'intérieur du réacteur compris entre 1 et 12 heures.
Dans une réalisation particulière, durant la phase lumineuse de la période de traitement des eaux usées, l'évacuation en sortie du réacteur des eaux purifiées et de la biomasse est réalisée par surverse.
De manière avantageuse, durant la phase obscure, l'injection d'air enrichi en dioxyde de carbone gazeux est interrompue, et est prévue une injection d'air non enrichi en dioxyde de carbone gazeux dans le réacteur ; une telle injection d'air non enrichi en CO2 favorisant l'activité hétérotrophe des microorganismes en phase obscure.
Avantageusement, durant la phase obscure de la période de traitement des eaux usées, la mise en mouvement des eaux usées est maintenue dans le réacteur, afin de favoriser l'aération des eaux et ainsi augmenter l'activité hétérotrophe.
Dans une réalisation particulière, le mélange de culture multispécifique comprend également l'un au moins des groupes de microorganismes suivants : champignons microscopiques, levures, bactériophages et protozoaires.
La Demanderesse a observé que ces microorganismes favorisent également l'activité hétérotrophe en phase lumineuse et obscure.
Selon une possibilité, le procédé comprend une étape de séparation de la biomasse et des eaux purifiées évacuées en sortie du réacteur, afin notamment de récupérer une telle biomasse microalgale pour valorisation.
Selon une possibilité, le procédé comprend au moins une étape de pré-traitement des matière minérales ou organiques solides contenues dans les eaux usées, consistant à séparer tout ou partie des matières minérales ou organiques solides, particulaires ou en suspension en excès présentes dans les eaux usées, avant passage dans le réacteur, cette étape de pré-traitement étant réalisée dans unité de pré-traitement disposée en amont du réacteur.
Ainsi, cette étape de pré-traitement des matières organiques solides, particulaires ou en suspension est réalisée avant la purification mise en œuvre dans le réacteur et est destinée à amener la concentration en matières organiques particulaires en dessous d'une valeur favorisant la pénétration des rayons solaires dans l'eau traitée au sein du réacteur.
Dans une réalisation particulière, le procédé comprend une étape de récupération des gaz riches en dioxyde de carbone produits par l'unité de pré-traitement, et une étape d'acheminement de ces gaz vers le réacteur ; permettant ainsi de valoriser les gaz riches en CO2 produits lors du prétraitement, en les injectant dans le réacteur pour favrosier le traitement des composés dissous et des contaminants microbiens dans le réacteur.
De manière avantageuse, l'étape d'évacuation de l'oxygène gazeux consiste en une évacuation régulée (autrement dit à un débit d'évacuation contrôlé) pour réguler la concentration en oxygène dissous dans les eaux traitées, pour maîtriser le traitement des eaux usées.
Dans une réalisation particulière, l'étape d'évacuation de l'oxygène gazeux est suivie d'une étape de récupération de l'oxygène gazeux évacué, pour valoriser cet oxygène gazeux.
De manière avantageuse, le procédé comprend une étape d'acheminement de l'oxygène gazeux évacué du réacteur (et récupéré dans le réacteur) à destination de l'unité de pré-traitement ; ce gaz riche en oxygène récupéré dans le réacteur étant ainsi valorisé en étant injecté dans l'unité de pré-traitement dans laquelle les matières organiques sont oxydées et transformées en CO2.
- Dans une réalisation particulière, le procédé de purification bio-solaire est mis en œuvre au moyen d'un système de purification bio-solaire, du type comprenant un réacteur fermé tubulaire comportant une pluralité de tubes transparents et des cuves raccordées au réacteur en entrée et en sortie.
Ainsi, ce système de purification bio-solaire comprend :
- un réacteur fermé tubulaire constitué d'une pluralité de tubes transparents permettant l'exposition des eaux contenant des microorganismes photosynthétiques au soleil en phase lumineuse ;
- des cuves raccordées au réacteur en entrée et en sortie, autrement dit à l'entrée et à la sorite des tubes ;
- un dispositif d'apport en eaux usées qui assure la dilution et la mise en contact des composés particulaires ou dissous et des contaminants microbiens avec, d'une part, les espèces mutliples du mélange de culture multispécifique qui se développent en continu par l'apport des nutriments présents dans les eaux à traiter (sans adjonction d'un nouveau mélange) et avec, d'autre part, l'oxygène dissous produit par les microorganismes photosynthétiques en phase lumineuse ;
- au moins un dispositif d'injection et dissolution d'air dans les eaux usées, cet air étant enrichi en dioxyde de carbone gazeux en phase lumineuse afin d'augmenter la concentration en CO2 dissous dans les eaux en phase lumineuse (le CO2 étant la source de carbone indispensable au développement des microorganismes photosynthétiques présents dans le réacteur) et cet air n'étant pas enrichi en dioxyde de carbone gazeux en phase obscure, afin d'aérer et oxygéner les eaux dans le réacteur ; - au moins un dispositif de mise en mouvement des eaux usées dans les tubes du réacteur ;
- au moins un dispositif d'évacuation de l'oxygène gazeux en excès produit par la phosynthèse en phase lumineuse ;
- au moins un dispositif d'évacuation du dioxyde de carbone gazeux en excès produit par la minéralisation des matières organiques en phase obscure ;
- au moins un dispositif d'évacuation des eaux purifiées en sortie du réacteur qui permet de récupérer les eaux après traitement dans le réacteur avec de préférence un débit de sortie équivalent au débit d'entrée des eaux dans le réacteur en phase lumineuse.
Ce système de purification bio-solaire ne comporte donc aucun dispositif d'inoculation ou de réinoculation des eaux usées avec des microorganismes photosynthétiques cultivés en externe ou récupérés en sortie du système; seuls les microorganismes apportés, dans le mélange de culture multispécifique, au démarrage du système étant utilisés pour purifier les eaux.
Avantageusement, le dispositif d'évacuation de l'oxygène gazeux consiste en un dispositif d'évacuation régulée pour réguler la concentration en oxygène dissous dans les eaux traitées.
Dans une réalisation particulière, le dispositif d'évacuation de l'oxygène gazeux est complété d'un dispositif de récupération de l'oxygène gazeux évacué.
Ainsi, l'oxygène gazeux O2 en excès, produit par les microflores photosynthétiques, est récupéré pour être notamment utilisé dans un prétraitement (ou dans un traitement secondaire de type aérobie) en amont du système de purification bio-solaire.
Selon une possibilité, le dispositif de mise en mouvement des eaux usées comprend un dispositif dit aval comprenant :
- une cuve d'alimentation avale raccordée à l'entrée du réacteur tubulaire (autrement dit à l'entrée des tubes) ;
- une cuve de réception avale raccordée à la sortie du réacteur tubulaire (autrement dit à la sortie des tubes) ;
- un dispositif de mise en mouvement aval des eaux du type dispositif de relevage des eaux et comprenant une colonne de relevage avale des eaux présentant une partie haute débouchant dans un réservoir, et une entrée en partie basse connectée à la cuve de réception avale, où le réservoir est raccordé à la cuve d'alimentation avale. L'intérêt de procéder avec de telles cuves de réception et d'alimentation avales est d'assurer un contrôle de l'écoulement dans les tubes transparents du réacteur. La hauteur des cuves de réception et d'alimentation avales est de préférence supérieure aux pertes de charges dans les tubes du réacteur, afin de permettre un écoulement gravitaire des eaux dans le réacteur, et les volumes des cuves avales sont avantageusement calculées en fonction du débit et de la vitesse d'écoulement à assurer dans le les tubes constitutifs du réacteur.
De manière avantageuse, un dispositif d'injection d'air et de dioxyde de carbone gazeux est disposé dans la colonne de relevage avale, de préférence dans la partie basse de la colonne de relevage avale, pour assurer une dissolution optimale du dioxyde de carbone dans l'eau circulant dans le dispositif aval.
Avantageusement, un dispositif d'évacuation de l'oxygène gazeux (de préférence un dispositif d'évacuation régulée) est disposé dans la partie haute de la colonne de relevage avale. Ainsi, l'oxygène gazeux O2 en excès est évacué, et de préférence récupéré, dans la partie haute de la colonne de relevage avale avant le passage dans la cuve d'alimentation avale.
Le dispositif aval comporte de préférence au moins un appareil de mise en mouvement des eaux (eg. dispositif air-lift ou pompe) entre la cuve de réception avale et l'entrée de la colonne de relevage avale.
Dans un mode de réalisation particulier, le réacteur tubulaire comporte des tubes transparents s'étendant de manière linéaire (sans coude ni jonction) comme suit :
- plusieurs tubes dits allers présentant chacun une première extrémité reliée à la sortie de la cuve d'alimentation et une seconde extrémité opposée débouchant dans une cuve de réception amont; et
- plusieurs tubes dits retours présentant chacun une première extrémité disposée à la sortie d'une cuve d'alimentation amont et une seconde extrémité débouchant dans la cuve de réception avale ;
et le dispositif de mise en mouvement comprend en outre un dispositif dit amont comprenant :
- la cuve de réception amont raccordée aux secondes extrémités des tubes allers ;
- la cuve d'alimentation amont raccordée aux premières extrémités des tubes retours ; - un dispositif de mise en mouvement amont des eaux du type dispositif de relevage des eaux et comprenant une colonne de relevage amont des eaux présentant une partie haute débouchant dans un réservoir, et une entrée en partie basse connectée à la cuve de réception amont, où le réservoir est raccordé à la cuve d'alimentation amont.
Ainsi, le système présente deux parties (respectivement amont et aval) chacune constituée d'une cuve d'alimentation reliée à une cuve de réception par un ensemble de tubes dans lesquels l'eau circule ; la cuve de réception et la cuve d'alimentation étant placées côte à côte et une colonne de relevage étant intercalée entre les deux cuves concernées.
Un appareil de mise en mouvement pompe l'eau à la base de la cuve de réception et rejeté l'eau dans la cuve d'alimentation, via la colonne de relevage des eaux. Ce transfert de l'eau de la cuve de réception vers la cuve d'alimentation crée une différence de niveau d'eau dans les cuves et entraîne la mise en mouvement des eaux dans les tubes du réacteur.
Dans ce mode de réalisation, il est avantageux qu'un dispositif d'injection d'air enrichi ou non en dioxyde de carbone gazeux soit également disposé dans la colonne de relevage amont, de préférence dans la partie basse de la colonne de relevage amont, pour assurer un gazage et un dégazage optimal de l'eau circulant dans le dispositif amont.
Dans une réalisation particulière, un dispositif d'évacuation de l'oxygène gazeux est disposé dans la cuve de réception amont et/ou dans la partie haute de la colonne de relevage amont.
Le dispositif amont comporte de préférence au moins un appareil de mise en mouvement des eaux (eg. dispositif air-lift ou pompe) entre la cuve de réception amont et l'entrée de la colonne de relevage amont.
De manière avantageuse, les tubes sont réalisés dans un matériau plastique transparent, souple ou flexible.
Dans le cadre de l'invention, il est envisageable de prévoir une installation de traitement et de recyclage des eaux usées, du type comprenant :
- un système de purification bio-solaire tel que décrit ci-dessus ; et
- un dispositif de séparation de la biomasse et des eaux purifiées par ledit système de purification bio-solaire, ce dispositif de séparation étant disposé en aval dudit système de purification bio-solaire (et donc en aval du réacteur) en étant raccordé au dispositif d'évacuation dudit système de purification biosolaire. Ainsi, le dispositif de séparation assure la séparation de l'eau et de la biomasse qui renferme les éléments dissous dégradés et/ou métabolisés ainsi que les contaminants microbiens tués par l'action combinée du soleil et de l'oxygène dissous. Après séparation de la biomasse, l'eau obtenue, débarrassée des éléments polluants dangereux pour l'homme ou l'environnement, peut être réutilisée pour d'autres usages ou recyclée pour un usage identique.
Cette installation permet ainsi d'obtenir une eau contenant moins de composés dissous et de contaminants microbiens que celle obtenue par des traitements conventionnels de type primaire, secondaire et tertiaire et rejettée habituellement dans les milieux aquatiques naturels. Cette eau obtenue à partir d'eaux usées industrielles, agricoles ou domestiques, sans perte par évaporation, peut donc être réutilisée ou recyclée intégralement pour des usages industriels, agricoles ou domestiques.
En outre, selon sa richesse en composés métalliques toxiques ou valorisâmes, la biomasse séparée de l'eau peut être valorisée pour son contenu organique et sa richesse en carbone, azote et phosphore.
Dans une réalisation particulière, l'installation comprend en outre une unité de pré-traitement des eaux usées, pour traiter les matières solides, particulaires ou en suspension présentes dans les eaux usées, où ladite unité de pré-traitement est disposée en amont du système de purification bio-solaire (et donc en amont du réacteur) en étant raccordée au dispositif d'apport en eaux usées dudit système de purification bio-solaire.
Ainsi, le système de purification bio-solaire est employé pour traiter des eaux usées dans lesquelles les matières organiques ou minérales, solides, particulaires ou en suspension, ont été préalablement et au moins partiellement éliminées par une unité de pré-traitement, selon des techniques conventionnelles de traitement, comme par exemple un système de clarification primaire, un bassin aéré de type boues activées avec décantation, un bassin ou une cuve de décantation, une unité de méthanisation en flux continu primaire ou un filtre planté de roseaux.
Selon une caractéristique, l'installation comprend en outre un bassin intermédiaire, notamment du type bassin de clarification, bassin de décantation ou bassin de lagunage, disposé entre l'unité de pré-traitement et le système de purification bio-solaire (et donc entre l'unité de pré-traitement et le réacteur). Le réacteur du système de purification bio-solaire étant placé en aval de l'unité de pré-traitement, le bassin intermédiaire sert de réservoir pour l'alimentation du réacteur du système de purification bio-solaire.
Selon une caractéristique, l'installation comprend en outre un dispositif de récupération des gaz riches en dioxyde de carbone produits par l'unité de pré-traitement, et une canalisation assurant la liaison entre ce dispositif de récupération et le dispositif d'injection d'air, pour permettre d'acheminer le dioxyde de carbone produit dans l'unité de pré-traitement vers le réacteur.
Selon une autre caractéristique, l'installation comprend en outre un dispositif d'acheminement de l'oxygène gazeux évacué du réacteur (par le dispositif d'évacuation de l'oxygène gazeux) à destination de l'unité de prétraitement.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs, faite en référence aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1A est une vue schématique d'une première installation de traitement et de recyclage comprenant un système de purification bio- solaire adapté pour la mise en œuvre du procédé conforme à l'invention ;
- la figure 1 B est une vue schématique d'un seconde installation de traitement et de recyclage comprenant un système de purification biosolaire adapté pour la mise en œuvre du procédé conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique d'un système de purification biosolaire adapté pour la mise en œuvre du procédé conforme à l'invention.
Les installations IN de la figure 1A et de la figure 1 B et le système 1 de purification bio-solaire de la figure 2, ont pour objet le traitement d'eaux usées par l'élimination des composés dissous, des composés azotés et phosphorés à effet eutrophisant et des contaminants microbiens (dont les microorganismes pathogènes ou indicateurs de contamination fécale), et la récupération d'éléments valorisâmes dans une biomasse phytoplanctonique et des gaz riches en oxygène.
Plus précisément, le traitement mis en œuvre par un système 1 adapté pour le procédé de purification bio-solaire selon l'invention, concerne l'abaissement de la teneur (voire l'élimination) d'une large gamme de substances et microorganismes dangereux pour l'homme et l'environnement, à savoir :
- les matières organiques particulaires responsables de l'eutrophisation des milieux aquatiques qui, avec le procédé de purification, sont dégradées en matière organique dissoute et nutriments avant d'être réintégrés dans une biomasse constituée de microorganismes photosynthétiques et hétérotrophes ;
- les composés dissous du type nutriment inorganique (CO2, N2O, NO3, NH4, PO4, SO4), et en particulier les composés azotés et phosphorés, qui sont soit des gaz à effet de serre participant au réchauffement climatique, soit des susbtances dissoutes responsables d'eutrophisation des milieux aquatiques, où le procédé de purification permettra de métaboliser ces composés par la photosynthèse, ce qui participera au renouvellement des éléments constitutifs de la matière vivante (C, O, N, P, S) sous forme de biomasse et d'oxygène gazeux récupérables et valorisâmes ;
- les composés dissous de type xénobiotique (PCB, pesticides, substances médicamenteuses) peu biodégradables qui sont, avec le procédé de purification, dégradés dans le système 1 sous l'effet du rayonnement solaire et de l'oxygène produit par la photosynthèse puis métabolisés par les microorganismes hétérotrophes ;
- les composés dissous de type métallique minéral ou organométallique, qu'ils soient rares, toxiques, lourds ou radioactifs, qui sont, avec le procédé de purification, fixés et incorporés dans la biomasse dans le système 1 par les microorganismes photosynthétiques, et éventuellement récupérés, éliminés ou valorisés par la biomasse après séparation ;
- les contaminants microbiens du type microorganisme terrestre (microflores fécales ou pathogènes) associé à l'homme, aux animaux et aux plantes, potentiellement dangereux pour l'homme ou les activités d'agriculture et d'élevage, issus de biotopes pauvres en oxygène et non exposés à la lumière solaire, qui sont dégradés dans le système 1 sous l'effet du rayonnement solaire et des fortes concentrations d'oxygène dissous produit par la photosynthèse.
Dans le cadre de cette description détaillée, une phase lumineuse correspond à une phase de jour pour un éclairage naturel offert par le soleil, et une phase obscure correspond à une phase de nuit pour une absence naturelle d'éclairage. Cependant, il peut être envisagé de prévoir un éclairage artificiel en remplacement ou en complément de l'éclairage naturel pour les phases lumineuses (ainsi une phase lumineuse au sens de l'invention peut être envisagée ou prolongée durant toute ou partie de la nuit) et/ou de prévoir une absence articielle d'éclairage, par exemple au moyen de systèmes d'occultation de la lumière, en remplacement ou en complément de l'absence naturelle d'éclairage (ainsi une phase obscure au sens de l'invention peut être envisagée ou prolongée durant toute ou partie du jour).
En référence aux figures 1A et 1 B, l'installation IN comprend un système 1 de purification bio-solaire en vue du recyclage d'eaux usées, pour traiter essentiellement les composés dissous et les contaminants microbiens présents dans les eaux usées.
Il est bien entendu envisageable de multiplier le nombre de système 1 , avec une installation qui comporte plusieurs systèmes 1 mis en série (avec un passage des eaux successivement dans les différents systèmes) ou en parallèle (avec une répartition des eaux entre les différents systèmes) pour traiter de grandes quantités d'eaux usées.
L'installation IN peut comprendre, en aval du système 1 , un dispositif de séparation DS de la biomasse microalgale « BIOM » des eaux
« EAU » traitées par le système 1 . Ainsi, après le traitement des composés dissous et des contaminants microbiens dans le système 1 , les eaux traitées font l'objet d'une séparation eau/biomasse dans le dispositif de séparation DS.
Il est également envisageable de récupérer directement le mélange eau et biomasse microalgale « EAU + BIOM », sans procéder à une quelconque séparation, ce mélange pouvant ensuite être valorisé directement en irrigation de surfaces agricoles ou végétalisées (jardins, golfs, espaces naturels), la biomasse microalgale étant alors valorisée en engrais organique.
Le dispositif de séparation DS peut mettre en œuvre différentes techniques de séparation de la biomasse, selon la qualité de l'eau requise en fin de traitement ; ces techniques de séparation pouvant être envisagées seules ou en combinaison, comme par exemple : aéro-flottation, décantation, filtration sur sables, zéolithes, pouzzolanes, charbons actifs, techniques membranaires, centrifugation, hydrocyclone.
Ainsi, le dispositif de séparation DS délivre en sortie une eau
« EAU » ne contenant plus de composés dissous et de contaminants microbiens dangereux pour l'homme ou l'environnement, et une biomasse microalgale « BIOM ». L'eau produite en sortie du dispositif de séparation DS peut être réutilisée pour un usage différent ou identique à l'usage d'origine.
L'installation IN peut comprendre une unité de traitement final UTB de la biomasse « BIOM » en sortie du dispositif de séparation DS. Cette unité de traitement final UTB met en œuvre la destruction, la valorisation et/ou le recyclage de cette biomasse ; cette biomasse pouvant en effet être stockée, valorisée ou éliminée selon les polluants qu'elle contient.
Cette biomasse, une fois sèche, est essentiellement constituée de protéines (40 à 50%), lipides (20 à 30%) et glucides (20 à 30%), et elle renferme également des métaux selon les quantités dissoutes dans les eaux traitées. Ainsi, selon la quantité de métaux présents, cette biomasse peut trouver de nombreux modes de valorisation, comme par exemple : alimentation animale, engrais organique, méthanisation associée à la méthanisation des boues de station d'épuration biologique conventionnelles, extraction de métaux rares issu de lixiviats d'eau de traitement de mines.
L'installation IN peut comprendre une unité de finition UFI du traitement de l'eau « EAU » en sortie du dispositif de séparation DS. Après séparation de la biomasse et selon les usages de l'eau, cette unité de finition UFI met en œuvre une étape de finition pour éliminer des composés organiques dissous résiduels et/ou pour éliminer des microorganismes qui pourraient être réintroduits dans l'eau lors de la séparation. Cette unité de finition UFI peut mettre en œuvre diverses techniques, prises seules ou en combinaison, comme par exemple : ozonation, chloration, filtration sur supports du type charbon actif, zéolithes, pouzzolanes.
L'installation IN comprend, en amont du système 1 , une unité UPR de pré-traitement des eaux usées, pour traiter les matières solides, particulaires ou en suspension présentes dans les eaux usées. Ainsi, cette unité UPR met en œuvre des traitements préalables de type primaire et/ou secondaire (comme par exemple une unité de pré-traitement aérobie en lit fixé clos), pour retirer au moins en partie les matières solides, particulaires ou en suspension, avant de réaliser le traitement des composés dissous et des contaminants microbiens dans le système 1 . En effet, les eaux à traiter dans le système 1 doivent de préférence être claires et contenir de faibles concentrations de matières en suspension. A titre d'exemple, les eaux à traiter entrant dans le système 1 peuvent présenter une concentration maximale de l'ordre de 100 à 200 mg/litre de matières en suspension, sans nuire au fonctionnement du système 1 .
Dans le mode de réalisation de la figure 1 B, l'installation IN peut comprendre une conduite d'acheminement du dioxyde de carbone « CO2 » entre l'unité de pré-traitement UPR qui produit du CO2 et le système 1 consommateur de dioxyde de carbone.
L'installation peut également comprendre une conduite d'acheminement de l'oxygène gazeux « O2 » (ou air enrichi en O2) entre le système 1 producteur d'oxygène gazeux et l'unité de pré-traitement UPR consommatrice en oxygène.
L'installation IN comprend en outre un bassin intermédiaire BIN, notamment du type bassin de clarification ou bassin de lagunage, disposé entre l'unité UPR et le système 1 .
Ainsi, le système 1 est approvisionné en eaux usées par le bassin intermédiaire BIN, lui-même placé en aval de l'unité UPR, par exemple du type station d'épuration conventionnelle.
Le volume du bassin intermédiaire BIN est au moins égal à 1 ,5 à 2 fois la contenance totale du système 1 pour tenir compte de l'exploitation différente en phases lumineuse et obscure.
L'alimentation du système 1 en eaux usées, en provenance du bassin intermédiaire BIN se fait de façon continue ou séquentielle durant les phases lumineuses de la période de traitement des eaux usées, le temps de résidence dans le système 1 des eaux usées dépendant du taux de renouvellement horaire, étant noté qu'un taux de renouvellement horaire de 20% correspond par exemple à un temps de résidence de 5 heures, ce qui correspond au temps pour renouveler entièrement l'eau dans le système 1 .
Les eaux usées sont ainsi stockées dans le bassin intermédiaire BIN, avant d'être introduites dans le système 1 durant la phase lumineuse de la période de traitement des eaux usées, en continue ou en séquentiel, qui contient déjà une eau riche en microorganismes photosynthétiques. Le débit d'apport et/ou le taux de dilution sont calculés pour renouveler l'ensemble du volume contenu dans le système 1 en 1 à 10 heures selon la quantité de composés dissous à traiter ; le taux de dilution optimale étant réglé par la densité de microorganismes photosynthétiques et les concentrations en composés dissous atteints dans le système. Comme décrit ultérieurement, le système 1 comporte un réacteur fermé pourvu de tubes transparents disposés sur une surface plane horizontale, inclinée ou verticale, exposée au soleil pendant la journée et à l'intérieur desquels les eaux à traiter circulent pendant plusieurs heures, de préférence entre 1 à 10 heures, et à faible vitesse, de préférence à des vitesses de l'ordre de 0,1 à 1 m/s.
En phase lumineuse de la période de traitement des eaux usées et dès le lever du soleil, l'eau circule de manière permanente dans les tubes du réacteur et est exposée au rayonnement solaire pendant 1 à 1 0 heures. Ainsi, dans les tubes transparents, la photosynthèse réalisée par des microorganismes photosynthétiques présents dans les eaux du réacteur 2 incorpore tous les composés dissous de type nutriments et fixe les composés métalliques dissous dans une biomasse phytoplanctonique tout en rejetant de l'oxygène gazeux qui s'accumule dans l'eau. En parallèle, les composés organiques dissous peu biodégradables et les microorganismes contaminants (contaminants microbiens) sont exposés aux effets du rayonnement solaire, et en particulier du rayonnement UV, et de l'oxygène produit par les microorganismes photosynthétiques.
Les microorganismes photosynthétiques présents dans le réacteur du système 1 se développent en continu par l'apport de nutriments dissous et du CO2 gazeux à partir d'un mélange de culture multispécifique introduit durant une période de démarrage initiale du système 1 . Ce mélange de culture multispécifique comprend une multiplicité d'éspèces parmi lesquelles :
- différentes espèces de microorganismes photosynthétiques incluant des algues microscopiques et des bactéries photosynthétiques ;
- différentes espèces de bactéries organotrophes aérobies ;
- des champignons microscopiques ;
- des levures ;
- des bactériophages (ou phages) ; et
- des protozoaires.
Durant cette période de démarrage initiale, il est prévu de remplir le système 1 en eaux usées, avant d'introduire ce mélange de culture multispécifique, puis de mettre en mouvement les eaux usées dans le système 1 durant au moins un jour et une nuit, jusqu'à ce que des concentrations en nutriments azotés et phosphorés prédéfinis dans les eaux usées atteignent des seuils prédéfinis respectifs. Une fois que ces seuils de concentratrions ont été atteints, la période de démarrage initiale laisse la place à une période de traitement des eaux usées au cours de laquelle sont récupérées des eaux purifiées et de la biomasse.
L'excédent de biomasse produite dans le réacteur étant évacué en continu avec l'eau traitée en sortie du réacteur, sans inoculation des eaux avec des microorganismes photosynthétiques externes par la suite. Autrement dit, le système 1 n'utilise en fonctionnement aucune culture de souche pure sélectionnée qui serait rajoutée en continu ou discontinu et ne nécessite ni laboratoire, ni système de culture stérile d'inoculum pour ensemencer ou réensemencer l'eau pendant le traitement.
Le principal avantage de ce système 1 est de fonctionner avec des microflores reconstituées et multispécifiques locales (le mélange de culture multispécifique) offrant une biodiversité fonctionnelle, nutritionnelle et trophique. Ces microflores reconstituées locales diversifiées s'adaptent très rapidement aux variations de composition des eaux usées ainsi qu'aux variations climatiques saisonnières. Les conditions d'exposition au soleil et d'apport en CO2, en phase lumineuse, favorisent les microorganismes photosynthétiques parmi lesquels on trouve essentiellement des procaryotes (bactéries photosynthétiques, cyanobactéries) et des eucaryotes (algues microscopiques) qui sont capables de récupérer l'énergie solaire et d'effectuer la photosynthèse à partir du CO2.
Un autre avantage de travailler avec des microflores reconstituées locales est la simplicité de conception et d'exploitation du procédé au sein du système 1 . Aucune contrainte de stérilité, de prétraitement anti-microbien des eaux usées, de nettoyage préventif des systèmes, de réensemencement en continu ou discontinu des eaux n'est nécessaire, les tubes peuvent être en matière souple, l'injection d'air enrichi en CO2 peut se faire directement dans l'eau à traiter sans système de traitement et de stérilisation du gaz, et enfin l'évacuation régulée de l'oxygène gazeux et donc la régulation des concentrations en oxygène dissous peuvent être réalisées simplement par une aspiration au niveau d'une colonne d'expansion située en haut d'un dispositif de relevage et de mise en mouvement d'eau ou bien directement dans les cuves du sytème 1 décrites ci-après.
Après mise en mouvement et exposition au soleil pendant 1 à 10 heures, l'eau traitée contenant des microorganismes photosynthétiques est prélevée en continu ou en séquentiel dans le système 1 , pour être envoyée vers le dispositif de séparation DS. Selon l'origine de l'eau à traiter et l'utilisation de l'eau traitée, le dispositif de séparation DS de la biomasse n'est pas toujours nécessaire.
Le système 1 peut fonctionner en continu ou en séquentiel pendant la phase lumineuse. En phase obscure de la période de traitement des eaux usées, l'alimentation en eaux usées est arrêtée dans le système 1 et la mise en mouvement de l'eau est maintenue dans le système 1 . En phase obscure, l'injection d'air est maintenue mais sans enrichissement en CO2 pour favoriser la dégradation des matières organiques particulaires et la minéralisation des composés organiques dissous.
Comme visible sur la figure 1 , l'installation IN se positionne par rapport à un site consommateur SC d'eau (collectivité, industrie, exploitation agricole) comme suit : le site consommateur SC récupère pour ses usages l'eau traitée et filtrée en sortie de l'unité de finition UFI, et rejette ses eaux usées pour traitement à destination de l'unité de pré-traitement UPR.
La description qui suit porte sur le système 1 , en référence à la figure 2. Ce système 1 comporte un réacteur tubulaire 2 (ou réseau tubulaire ou récepteur solaire) comportant une pluralité de tubes 20, 21 transparents, parallèles et juxtaposés, et plus précisément :
- une série de plusieurs tubes dits allers 20 présentant chacun une première extrémité (en entrée) raccordée à une cuve d'alimentation avale 22 formant l'entrée du réacteur tubulaire 2 et une seconde extrémité opposée (en sortie) raccordée à une cuve de réception amont 23 ; et
- une série de plusieurs tubes dits retours 21 présentant chacun une première extrémité (en entrée) raccordée à une cuve d'alimentation amont 24 et une seconde extrémité opposée raccordée à une cuve de réception avale 25 formant la sortie du réacteur tubulaire 2.
Les cuves d'alimentation 22 et 24 sont éventuellement ouvertes et ont pour fonction d'alimenter en eau les tubes correspondants, et les cuves de réception 23 et 25 sont éventuellement ouvertes et ont pour fonction de recevoir et collecter les eaux provenant des tubes correspondants.
Les tubes 20, 21 sont réalisés dans un matériau souple ou flexible transparent, et notamment dans un matériau plastique ou polymérique, présentent des longueurs comprises entre 5 m et 500 mètres linéaires et des diamètres compris entre 5 et 20 centimètres, sans raccord intermédiaire, et ils s'étendent linéairement sans présence de coude ou de jonction ; l'absence de coude permettant avantageusement une fabrication, un transport et un montage aisés et économiques, sans augmentation des pertes de charges et de la consommation d'énergie pour la mise en mouvement de l'eau et l'injection de gaz.
Les tubes 20, 21 sont positionnées sur une surface plane et horizontale ; l'absence de coudes et de rayons de courbure permettant en outre de juxtaposer les tubes sans perte de surface utile. L'absence de coudes et la disposition parallèle des tubes 20, 21 entre les cuves 22, 23, 24, 25 permettent également l'obturation de chaque tube à ses deux extrémités, autorisant ainsi la vidange, le remplacement ou le nettoyage de chaque tube individuellement sans arrêter la mise en mouvement dans les autres tubes. Le nettoyage interne des tubes peut ainsi s'effectuer régulièrement lorsqu'il est nécessaire.
Les tubes 20, 21 peuvent être placés sur le fond plat d'un bac 26 étanche, dont les bords sont relevés de façon à constituer un bassin de profondeur égale ou supérieure au diamètre des tubes 20, 21 . Ce bac 26 étanche permet de remplir plusieurs fonctions :
- récupération de l'eau en cas de fuite nécessitant le changement d'un tube 20, 21 ;
- refroidissement des tubes 20, 21 avec de l'eau versée, pulvérisée ou brumisée dans le bac 26 ;
- récupérations des eaux de pluie en saison humide peu ensoleillée, pour notamment reconstituer des réserves d'eau douce pour différents usages en saison sèche.
Le système 1 comprend un dispositif de mise en mouvement aval 3 assurant la mise en mouvement ou circulation des eaux entre la cuve de réception avale 25 et la cuve d'alimentation avale 22, autrement dit la circulation des tubes retour 21 vers les tubes aller 20.
Un tel dispositif de mise en mouvement aval 3 est du type dispositif de relevage des eaux et comprend :
- une colonne de relevage des eaux avale 30 qui, d'une part, est connectée en partie basse au niveau du fond de la cuve de réception avale 25 au moyen d'une canalisation d'arrivée 33 et, d'autre part, est débouchante en partie haute à l'intérieur d'un réservoir 31 ;
- le réservoir 31 à l'intérieur duquel est disposée verticalement la colonne de relevage des eaux avale 30 ; - la canalisation d'arrivée 33 des eaux venant de la cuve de réception avale 25 et connectée à la partie basse de la colonne de relevage 30 ;
- une canalisation de sortie 32 des eaux contenues dans le réservoir 31 , cette canalisation de sortie 32 étant d'une part raccordée au réservoir 31 , en étant surélevée par rapport à la canalisation d'arrivée 33, et d'autre part raccordée à la cuve d'alimentation avale 22.
Le système 1 comporte un dispositif d'apport en eaux usées qui est constitué d'une canalisation de remplissage 34 du réacteur 2, de manière continue ou discontinue, cette canalisation de remplissage 34 étant connectée en sortie à la cuve d'alimentation avale 22 et en entrée à l'unité UPR via le bassin intermédiaire BIN décrits ci-dessus
La colonne de relevage des eaux 30 peut prendre différentes formes même si le volume et la hauteur sont calculés en fonction du débit et de la vitesse d'eau requis dans les tubes du réacteur 2 en aval. La hauteur de la cuve d'alimentation avale 22 dépend des pertes de charge dans les tubes, et elle peut être réalisée en matière plastique, bois, métal, résine ou toile plastifiée.
Le système 1 comprend en outre la cuve de réception avale 23 pour le drainage des eaux sortant des tubes allers 20, cette cuve de réception avale 23 étant raccordée à la sortie des tubes allers 20.
Le système 1 comprend en outre un dispositif de mise en mouvement amont 4 assurant la mise en mouvement ou circulation des eaux entre la cuve de réception amont 23 et la cuve d'alimentation amont 24, autrement dit la circulation des tubes aller 20 vers les tubes retours 21 .
Un tel dispositif de mise en mouvement amont 4 est du type dispositif de relevage des eaux et comprend :
- une colonne de relevage des eaux amont 40 qui, d'une part, est connectée en partie basse au niveau du fond de la cuve de réception amont 23 au moyen d'une canalisation d'arrivée (non visible) et, d'autre part, est débouchante en partie haute à l'intérieur d'un réservoir 41 ;
- le réservoir 41 à l'intérieur duquel est disposée verticalement la colonne de relevage des eaux amont 40 ;
- la canalisation d'arrivée des eaux venant de la cuve de réception amont 23 et connectée à la partie basse de la colonne de relevage amont 40 ;
- une canalisation de sortie (non visible) des eaux contenues dans le réservoir 41 , cette canalisation de sortie étant d'une part raccordée au réservoir 41 , en étant surélevée par rapport à la canalisation d'arrivée, et d'autre part raccordée à la cuve d'alimentation amont 24.
Le système 1 comprend également :
- un premier dispositif d'injection 51 d'air et de dioxyde de carbone gazeux dans la partie basse du réservoir 31 ; et
- un second dispositif d'injection (non visible) d'air et de dioxyde de carbone gazeux dans la partie basse du réservoir 41 .
Ces dispositifs d'injection 51 apportent de l'air naturel (autrement dit non enrichi en CO2) ou de l'air enrichi en CO2, le CO2 d'enrichissement étant issu notamment de l'unité de pré-traitement UPR ou de gaz de combustion, mélangé à de l'air ambiant, un air enrichi en CO2 étant nécessaire aux microorganismes photosynthétiques. Les besoins en CO2 sont proportionnels à la longueur des tubes entre deux injections d'air enrichi en CO2. De plus, l'air est enrichi en CO2 par le mélange d'air frais et de gaz de combustion ou de fermentation (issu d'un traitement primaire et secondaire d'eaux usées domestiques, industrielles ou agricoles) contenant un pourcentage de CO2 supérieur à celui de l'atmosphère.
Ces dispositifs d'injection 51 peuvent fonctionner en pression ou en dépression. L'air enrichi en CO2 peut par exemple être introduit sous pression dans l'eau à l'aide d'un diffuseur, pour limiter la taille des bulles et favoriser les échanges gazeux entre l'air entrant et l'eau traitée.
Les dispositifs de mise en mouvement aval 3 et amont 4 comprennent respectivement un premier et un second appareils de mise en mouvement des eaux usées dans le système 1 , et en particulier dans le réacteur 2 ; ces appareils de mise en mouvement font passer l'eau respectivement de la cuve de réception avale 25 à la cuve d'alimentation avale 22 via la colonne de relevage avale 30 et le réservoir 31 , et de la cuve de réception amont 23 à la cuve d'alimentation amont 24 via la colonne de relevage amont 40 et le réservoir 40.
La mise en mouvement de l'eau à faible vitesse (vitesse de circulation entre 0,1 et 1 m/s) dans les tubes transparents nécessite la remontée de l'eau dans la colonne de relevage avale 30 vers le réservoir 31 du dispositif de mise en mouvement aval 3 qui vient remplir ensuite la cuve d'alimentation avale 22 par gravité via la conduite 32. La remontée du niveau de l'eau dans la cuve d'alimentation avale 22 entraîne une mise en mouvement ou circulation de l'eau de la cuve d'alimentation avale 22 vers la cuve de réception amont 23 via les tubes aller 20. Il en va de même pour la remontée de l'eau l'eau dans la colonne de relevage amont 40 vers le réservoir 41 du dispositif de mise en mouvement amont 4.
Ces remontées d'eaux sont assurées par les appareils de mise en mouvement qui sont par exemple chacun du type :
- pompe, de préférence du type pompe à membrane ou péristaltique pour minimiser la destruction des cellules de microorganismes photosynthétiques ; ou
- dispositif d'ascenseur à gaz, autrement appelé « gas-lift » ou gazosiphon, qui consiste en une injection de gaz en partie basse de la colonne de relevage
30 ou 40 servant à mettre en mouvement ou déplacer les eaux.
L'énergie nécessaire à la mise en mouvement de l'eau dépend du type d'appareil de mise en mouvement, de la perte de charge dans le réacteur tubulaire et du débit d'eau à fournir pour assurer la mise en mouvement de l'eau à la vitesse désirée.
Dans le cas d'un appareil du type dispositif d'ascenseur à gaz, la mise en mouvement de l'eau peut être couplée avec l'injection de l'air enrichi en CO2. En effet, l'eau est remontée du bas de la cuve de réception 25 ou 23 vers le réservoir 31 ou 41 par l'injection d'air enrichi en CO2.
Le système 1 comprend également au moins un dispositif d'évacuation ou de dégazage de l'oxygène gazeux (non illustré) produit par photosynthèse dans le réacteur 2 ; ce dispositif d'évacuation formant un dispositif d'évacuation régulée (ou contrôlée) pour la régulation des concentrations en oxygène dissous.
Dans le système 1 , l'oxygène gazeux O2, produit par les microflores photosynthétiques, est éliminé au niveau des réservoirs 31 , 41 en partie haute des colonnes de relevage 30, 40 par la canalisation 62 dans laquelle une dépression permet d'aspirer les gaz riches en oxygène.
Ce ou ces dispositifs d'évacuation ont pour fonction l'élimination régulière de l'oxygène dissous et gazeux à chaque passage, permettant ainsi de maintenir la concentration dans le réacteur 2 à une valeur optimale pour la dégradation oxydative et pour la photosynthèse qui serait inhibée par de trop fortes concentrations. L'air enrichi en oxygène est récupéré et peut être valorisé dans une unité de pré-traitement UPR biologique conventionnelle hétérotrophe (par exemple lits fixés, boues activées ou bassins d'aération). En outre, l'air enrichi en CO2 est de préférence injecté (par le ou les dispositifs d'injection) dans le dispositif de mise en mouvement et en aval du dispositif d'évacuation de l'oxygène gazeux dans les cuves de réception.
Le système 1 comprend au moins un dispositif d'évacuation des eaux traitées en sortie du réacteur 2, avec :
- soit une évacuation par surverse lorsque le système 1 est exploité en continu, autrement dit on récupère le trop plein au niveau de la cuve de réception 25 par une canalisation de surverse 35 ;
- soit une évacuation par vidange du système 1 et de son réacteur 2, par une canalisation basse 62 (située par exemple en partie basse de la cuve d'alimentation avale 22), lorsque le système 1 est vidangé pour arrêt.
Le système 1 peut également comprendre plusieurs séries de tubes allers 20 en alternance avec des séries de tubes retour 21 , comme illustré sur la figure 3.
Dans l'exemple de la figure 3, le système 1 comprend :
- une première série de plusieurs tubes allers 20a présentant chacun une première extrémité raccordée à une première cuve d'alimentation avale 22a formant l'entrée du réacteur tubulaire 2 (comme schématisé par la flèche EN) et une seconde extrémité opposée raccordée à une première cuve de réception amont 23a ;
- une première série de plusieurs tubes retours 21 a présentant chacun une première extrémité raccordée à une première cuve d'alimentation amont 24a et une seconde extrémité opposée raccordée à une première cuve de réception avale 25a ;
- une seconde série de plusieurs tubes allers 20b présentant chacun une première extrémité raccordée à une seconde cuve d'alimentation avale 22b (placée à côté de la première cuve de réception avale 25a) et une seconde extrémité opposée raccordée à une seconde cuve de réception amont 23b (placée à côté de la première cuve d'alimentation amont 24a) ;
- une seconde série de plusieurs tubes retours 21 b présentant chacun une première extrémité raccordée à une seconde cuve d'alimentation amont 24b et une seconde extrémité opposée raccordée à une seconde cuve de réception avale 25b formant la sortie du réacteur tubulaire 2 (comme schématisé par la flèche SO) ;
- un premier dispositif de mise en mouvement amont 4a assurant la mise en mouvement des eaux entre la première cuve de réception amont 23a et la première cuve d'alimentation amont 24a, autrement dit des tubes aller 20a de la première série vers les tubes retours 21 a de la première série ;
- un premier dispositif de mise en mouvement aval 3a assurant la mise en mouvement des eaux entre la première cuve de réception avale 25a et la seconde cuve d'alimentation avale 22b, autrement dit des tubes retours 21 a de la première série vers les tubes aller 20b de la seconde série ;
- un second dispositif de mise en mouvement amont 4b assurant la mise en mouvement des eaux entre la seconde cuve de réception amont 23b et la seconde cuve d'alimentation amont 24b, autrement dit des tubes aller 20b de la seconde série vers les tubes retours 21 b de la seconde série ; et
- un second dispositif de mise en mouvement aval 3b assurant la mise en mouvement des eaux entre la seconde cuve de réception avale 25b et la première cuve d'alimentation avale 22a, autrement dit des tubes retours 21 b de la seconde série vers les tubes aller 20a de la première série.
L'injection d'air (enrichi ou non en CO2) est réalisée au niveau du second dispositif de mise en mouvement aval 3b (comme schématisé par la flèche AIR) et l'évacuation régulée d'Û2 est également réalisée au niveau du second dispositif de mise en mouvement aval 3b (comme schématisé par la flèche O2).
Une campagne d'essais menée avec un système 1 conforme à la figure 3, sur des eaux usées domestiques déshuilées, dessablées et décantées, a donné les résultats comme résumé dans le tableau ci-dessous.
Dans ce tableau, la colonne « Entrée » correspond aux mesures des paramètres pour les eaux en entrée du système 1 (avant la mise en œuvre du procédé) et la colonne « Sortie » correspond aux mesures des paramètres pour les eaux en sortie du système 1 (suite à la mise en œuvre du procédé). La colonne « Abattement » indique la réduction (en log ou en pourcentage) des paramètres entre la colonne « Entrée » et la colonne « Sortie ».
Figure imgf000035_0001
Figure imgf000036_0001
Dans ce tableau, sont observés des abattements (ou abaissements) élevés des teneurs des différents paramètres, traduisant une purification telle que les eaux en sortie sont catégorisables dans la catégorie A définie précédemment par la réglementation française ; des eaux en catégorie A étant autorisées pour l'irriguation de cultures maraîchères, fruitières et légumières non transformées par un traitement thermique industriel adapté.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de purification bio-solaire d'eaux usées en vue d'en réduire la teneur en matières organiques particulaires et dissoutes, en composés métalliques minéraux et organométalliques dissous, en contaminants microbiens et en composés azotés et phosphorés à effet eutrophisant, ledit procédé étant mis en œuvre pour le recyclage ou la réutilisation des eaux purifiées par le procédé et le recyclage des nutriments azotés et phosphorés présents dans les eaux usées et récupérés à l'issue du procédé sous la forme d'une biomasse, ledit procédé étant mis en œuvre au moyen d'un système de purification bio-solaire comprenant :
- un réacteur (2) fermé présentant au moins une entrée des eaux usées et au moins une sortie des eaux purifiées ;
- au moins un dispositif d'apport en eaux usées relié à l'entrée du réacteur ; - au moins un dispositif de mise en mouvement des eaux usées présentes à l'intérieur du réacteur ;
- au moins un dispositif d'injection d'air dans les eaux usées présentes dans le système de purification bio-solaire ;
- au moins un dispositif d'évacuation des gaz produits dans le réacteur ; - au moins un dispositif d'évacuation des eaux traitées en sortie du réacteur ;
dans lequel le procédé comprend les deux périodes successives suivantes : (i) une période initiale de démarrage au cours de laquelle sont mises en œuvres les étapes suivantes :
- remplissage en eaux usées du réacteur (2) via le dispositif d'apport en eaux usées ;
- introduction dans le réacteur (2) d'un mélange de culture multispécifique comprenant une multiplicité d'éspèces parmi lesquelles différentes espèces de microorganismes photosynthétiques incluant des algues microscopiques et des bactéries photosynthétiques, et différentes espèces de bactéries organotrophes aérobies ;
- mise en mouvement des eaux usées dans le réacteur (2) ;
- en phase lumineuse :
- exposition à un rayonnement lumineux des eaux usées dans le réacteur (2) et injection et dissolution d'air enrichi en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux usées, afin d'accélérer le développement des microorganismes photosynthétiques introduits dans le réacteur (2) avec le mélange de culture multispécifique ; et
- évacuation de l'oxygène gazeux produit par photosynthèse dans le réacteur (2) pour un maintien du taux d'oxygène à l'intérieur du réacteur (2) dans une plage prédéfinie ;
- en phase obscure, injection et dissolution d'air non enrichi en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux usées, afin d'augmenter la concentration en oxygène dissous dans les eaux et d'accélérer le développement des bactéries organotrophes aérobies introduits dans le réacteur (2) avec le mélange de culture multispécifique ;
où la période initiale de démarrage est maitenue jusqu'à ce que des concentrations en nutriments azotés et phosphorés prédéfinis dans les eaux usées atteignent des seuils prédéfinis respectifs ;
et
(ii) une période de traitement des eaux usées, qui est engagée à la suite de la période initiale de démarrage après que lesdites concentrations en nutriments azotés et phosphorés ont atteint lesdits seuils prédéfinis respectifs, et au cours de laquelle sont mises en œuvres les étapes suivantes :
- mise en mouvement des eaux usées dans le réacteur (2) ;
- en phase lumineuse :
- alimentation en eaux usées à l'entrée du réacteur (2) de manière continue ou séquentielle ;
- injection et dissolution d'air enrichi en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux usées, afin d'augmenter les concentrations en oxygène et en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux et d'intensifier la photosynthèse mise en œuvre par les microorganismes photosynthétiques ; et
- exposition à un rayonnement lumineux des eaux usées dans le réacteur (2) pour un traitement des matières organiques particulaires, des composés métalliques minéraux et organométalliques dissous, des composés organiques dissous et des contaminants microbiens par l'action combinée du rayonnement, des microorganismes photosynthétiques et de l'oxygène apporté par l'injection d'air et produit par photosynthèse ; - évacuation en continu de l'oxygène gazeux et dissous en excès dans les eaux présentes dans le réacteur (2) ;
- évacuation en sortie du réacteur (2) des eaux purifiées et de la biomasse produite à partir de nutriments issus de la photodégradation de la matière organique présente dans le réacteur
(2) ;
- en phase obscure :
- arrêt de l'alimentation en eaux usées à l'entrée du réacteur (2) et arrêt de l'évacuation en sortie du réacteur (2) des eaux purifiées et de la biomasse ;
- injection et dissolution d'air non enrichi en dioxyde de carbone gazeux dans les eaux usées, afin d'augmenter la concentration en oxygène dissous dans les eaux et d'intensifier la dégradation et la minéralisation des matières organiques particulaires et dissoutes par l'action des bactéries organotrophes aérobies ;
- évacuation en continu du dioxyde de carbone gazeux en excès dans le réacteur (2).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel durant la phase lumineuse de la période de traitement des eaux usées, entre l'alimentation en eaux usées et l'évacuation des eaux purifiées, le temps de résidence des eaux à l'intérieur du réacteur (2) est compris entre 1 et 12 heures, et notamment entre 2 et 10 heures.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, durant la phase lumineuse de la période de traitement des eaux usées, l'alimentation en eaux usées est réalisée de manière continue ou séquentielle et selon un débit d'entrée prédéfini, et l'évacuation des eaux purifiées est réalisée de manière continue ou séquentielle et selon un débit de sortie prédéfini, lesdits débits d'entrée et de sortie étant établis pour assurer un temps de résidence des eaux à l'intérieur du réacteur (2) compris entre 1 et 12 heures.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, durant la phase lumineuse de la période de traitement des eaux usées, l'évacuation en sortie du réacteur (2) des eaux purifiées et de la biomasse est réalisée par surverse.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, durant la phase obscure de la période de traitement des eaux usées, la mise en mouvement des eaux usées est maintenue dans le réacteur (2).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélange de culture multispécifique comprend également l'un au moins des groupes de microorganismes suivants : champignons microscopiques, levures, bactériophages et protozoaires.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de séparation de la biomasse et des eaux purifiées évacués en sortie du réacteur (2).
8. Procécé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins une étape de pré-traitement des matière minérales ou organiques solides contenues dans les eaux usées, consistant à séparer tout ou partie des matières minérales ou organiques solides, particulaires ou en suspension, en excès présentes dans les eaux usées, avant passage dans le réacteur (2), cette étape de pré-traitement étant réalisée dans une unité de pré-traitement disposée en amont du réacteur (2).
9. Procédé selon la revendication 8, comprenant une étape de récupération des gaz riches en dioxyde de carbone produits par l'unité de pré-traitement (UPR), et une étape d'acheminement de ces gaz vers le réacteur (2).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'évacuation de l'oxygène gazeux consiste en une évacuation régulée pour réguler la concentration en oxygène dissous dans les eaux traités.
1 1 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'évacuation de l'oxygène gazeux est suivie d'une étape de récupération de l'oxygène gazeux évacué.
12. Procédé selon les revendications 9 et 12, comprenant une étape d'acheminement de l'oxygène gazeux évacué et récupéré dans le réacteur (2) à destination de l'unité de pré-traitement.
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