Dans le climat actuel, où les limites de la demande biochimique en oxygène (BOD), les solides en suspension totaux (TSS) et les nutriments tels que l'azote et le phosphore sont de plus en plus strictes, ces systèmes à film fixe demeurent très pertinents. En exploitant les microorganismes naturels qui forment un biofilm sur un lit de milieux solides, en filant des filtres dégradent continuellement la matière organique et, dans des configurations avancées, en facilitant la nitrification et la dénitrification.

Quels sont les filtres à ridiculisation?

Un filtre à trémie est un système de traitement biologique aérobie à lit fixe dans lequel les eaux usées sont uniformément réparties sur une couche de milieu emballé, généralement composé de roches, de scories, de modules plastiques ou de tissu synthétique. Le milieu fournit une grande surface sur laquelle se développe un biofilm microbien. À mesure que les eaux usées se déversent dans le milieu, l'air circule vers le haut (soit naturellement par convection, soit avec ventilation forcée), fournissant de l'oxygène au biofilm.

Le terme «filtre» est un peu trompeur, les filtres de bricolage ne fonctionnent pas principalement par déformation physique. La dégradation biologique est le mécanisme dominant d'élimination. Historiquement, la technologie a été développée à la fin du XIXe siècle et a été largement adoptée au début du XXe siècle. Les systèmes anciens utilisaient des lits de pierre concassée ou de gravier, tandis que les conceptions modernes utilisent des milieux plastiques à haute surface qui peuvent être empilés verticalement, réduisant considérablement l'empreinte du sol et améliorant l'efficacité des processus.

Types de médias

Trois grandes catégories de médias sont utilisées dans les filtres à bascule contemporains :

  • Médias de roche – Souvent de 3 à 10 cm de diamètre, emballés au hasard. Inutile mais lourd, nécessitant des lits profonds et une grande empreinte.
  • Méthodes modulaires en plastique – Fabriquées à partir de feuilles ondulées collées en blocs ou cylindres. Léger, espace vide élevé (plus de 90 %) et surface spécifique de 100 à 250 m2/m3. Permet une profondeur de lit plus élevée et un meilleur transfert d'oxygène.
  • Méthodes fibreuses synthétiques[ – Tissus non tissés ou matériaux semblables à des câbles utilisés dans des applications tournantes ou submergées.Offrer une surface très élevée (jusqu'à 500 m2/m3) mais nécessitant une gestion soigneuse des boues et étant moins courante dans le traitement primaire.

Le choix des milieux dépend des objectifs de traitement, des terres disponibles, du climat et des caractéristiques des eaux usées. Les milieux plastiques sont désormais la norme pour les nouvelles installations en raison de leur durabilité, de leur efficacité et de leur facilité d'entretien.

Comment les filtres à tranquilliser améliorent la qualité des effluents

Les filtres à assèchement sont principalement conçus pour réduire la matière organique carbonée, mesurée comme BOD et la demande chimique d'oxygène (COD). Dans les systèmes bien exploités, l'efficacité d'élimination de la BOD de 80 à 95 % est réalisable, produisant des effluents adaptés pour le rejet ou le traitement ultérieur.

Processus biologiques et élimination des polluants

Le biofilm qui pousse à la surface du milieu est un écosystème complexe qui contient des bactéries, des champignons, des protozoaires et parfois des organismes plus élevés comme les vers et les larves d'insectes. La matière organique dissoute se diffuse dans le biofilm et est oxydée par des bactéries hétérotrophes. L'oxygène est fourni à partir de l'air qui se déplace dans les espaces vides dans le milieu. À mesure que le biofilm s'épaissit, les couches internes deviennent anoxiques ou anaérobies, ce qui entraîne un slaoughing, le détachement périodique de la biomasse excédentaire.

Les principaux paramètres de performance pour l'élimination organique comprennent :

  • Typiquement 0,5–4 m3/m2·jour (m/jour) – Les taux plus élevés améliorent le transfert d'oxygène mais peuvent réduire le temps de contact.
  • Taux de charge organique – La masse de BOD appliquée par volume de milieux par jour (kg BOD/m3·jour). Les filtres à taux standard fonctionnent de 0,1 à 0,4 kg BOD/m3·jour; les filtres à taux élevé varient de 0,5 à 1,0 kg BOD/m3·jour.
  • Ratio de recirculation[ – Une partie de l'effluent traité est recyclée à l'entrée du filtre, diluant l'influent et améliorant la distribution.Les ratios de 0,5:1 à 3:1 sont fréquents.

Un contrôle adéquat de ces paramètres assure une activité biofilmable stable et empêche les problèmes tels que l'accumulation d'eau sur la surface du milieu, la production d'odeurs et la reproduction des mouches.

Élimination des éléments nutritifs : nitrification et dénitrification

L'élimination de l'azote est un processus biologique en deux étapes. D'abord, l'ammoniac (NH3) est oxydé en nitrite (NO2−) puis en nitrate (NO3−) par les bactéries autotrophes (Nitrosomonas et Nitrobacter) dans des conditions aérobies, un processus appelé nitrification.

Dans un filtre à tricherie standard à un seul étage, la nitrification peut se produire lorsque la charge organique est suffisamment faible pour que les nitrifiants autotrophes ne soient pas surcomplétés par des hétérotrophes. Cependant, pour un enlèvement fiable de l'azote, de nombreuses plantes utilisent un système à deux étages : un filtre à haut débit pour l'enlèvement du carbone, suivi d'un filtre à faible taux dédié à la nitrification.

L'élimination du phosphore[ est limitée dans les filtres à trier uniquement parce que l'élimination biologique du phosphore nécessite des zones anaérobies et aérobies alternées. La plupart des usines de triage dépendent de précipitations chimiques (à l'aide d'alun ou de chlorure ferrique) pour respecter les limites de rejet du phosphore, souvent ajoutées avant ou après le filtre.

Variations de conception et paramètres de fonctionnement

Les filtres à ridiculiser peuvent être classés selon leur taux de charge organique et hydraulique:

  • Filtres à trémie à faible débit [ – Charge organique 0,1–0,4 kg de DBO/m3·jour, charge hydraulique 1–4 m/jour. Atteindre un taux élevé d'élimination de DBO (85–95 %) et une nitrification importante.
  • Filtres à trémie à haut débit – Charge organique 0,5–1,0 kg de BOD/m3·jour, charge hydraulique 10–40 m/jour. Atteindre l'élimination de la BOD de 65–85 %. La recirculation est couramment utilisée pour maintenir le mouillage et le transfert d'oxygène.
  • Filtres super-rapides (très-rapides)[ – Charge organique jusqu'à 3 kg de BOD/m3·jour avec support plastique et ventilation forcée. Utilisé pour le traitement de la corrosion avant boue activée ou autres procédés.

Les autres caractéristiques de conception sont les suivantes :

  • Système de drainage[ : collecte les effluents traités et soutient le milieu. Permet également à l'air de remonter. Les ventilateurs à courants d'air forcé assurent un approvisionnement adéquat en oxygène.
  • Distributeur rotatif[ : un jeu de bras qui tournent sur la surface du milieu, distribuant les eaux usées uniformément. Conduit par la tête hydraulique ou un moteur électrique. La vitesse de rotation est réglable; trop rapide provoque des courts-circuits, trop lent conduit à des taches sèches.
  • Enfermement: dans les climats froids, les filtres à rebord sont souvent recouverts ou logés à l'intérieur d'un bâtiment pour maintenir l'activité biologique.

Réunion sur les règlements environnementaux

Aux États-Unis, la Clean Water Act et le National Polluant Discharge Elimination System (NPDES) permettent de fixer des niveaux maximaux admissibles pour la DBO, le SST, l'ammoniac, l'azote total, le phosphore total et parfois des métaux ou des composés organiques spécifiques. Dans l'Union européenne, la Directive sur le traitement des eaux urbaines résiduaires (91/271/CEE) exige un traitement secondaire pour tous les rejets provenant d'agglomérations de plus de 2 000 habitants et un traitement plus rigoureux (y compris l'élimination des nutriments) dans les zones sensibles.

Les filtres à tranquilliser aident systématiquement les opérateurs à satisfaire à ces exigences :

  • BOD et TSS[: Des efficacités d'élimination courantes de 85 à 95 % pour la BOD et de 70 à 90 % pour la TSS sont réalisables, ce qui permet de respecter les limites de traitement secondaire typiques (p. ex., BOD 25 à 30 mg/L, TSS 30 mg/L).
  • Ammonia: Les filtres à aspersion nitrifiantes peuvent réduire l'ammoniac à moins de 2 à 5 mg/L, satisfaisant ainsi à de nombreuses limites du NPDES.
  • Nitrant total: Des systèmes à deux étages avec recirculation peuvent permettre d'éliminer 50 à 70 % de l'azote total. Pour une élimination plus élevée (p. ex., 80%+), il peut être nécessaire d'intégrer les zones anoxiques ou les filtres post-anoxiques.
  • Phosphore: La précipitation chimique est efficace; les filtres de trémie sont compatibles avec la plupart des systèmes d'addition de sel métallique.

De nombreuses installations ont amélioré leurs filtres à écoulement avec des milieux plastiques, une ventilation améliorée et un contrôle automatisé de la distribution pour respecter des permis plus serrés sans construire de nouveaux centres de traitement. Par exemple, les données de performance compilées par des agences environnementales montrent que les filtres modernes à écoulement plastique peuvent atteindre une qualité d'effluent comparable à celle des systèmes de boues activées dans de nombreuses applications.

Il est toutefois important de noter que les filtres à trémie sont moins souples que les boues activées lorsqu'il s'agit de réagir à des charges fluctuantes ou à des chocs toxiques.Les exploitants doivent surveiller la santé des biofilms et ajuster les taux de recirculation pour maintenir la conformité.

Avantages et limites

Avantages

  • Consommation d'énergie faible[: L'énergie primaire est destinée à pomper les eaux usées au distributeur. Aucune souffleuse d'aération n'est nécessaire pour le filtre lui-même (bien que la ventilation forcée puisse être utilisée).
  • Exercice simple[ : moins de composants mécaniques que les boues activées; pas besoin de pompage des boues activées de retour ou de contrôle de l'oxygène dissous.
  • : Peut tolérer des surtensions hydrauliques et des charges sporadiques. Le biofilm se rétablit rapidement après des périodes de faibles débits ou de charges de choc.
  • Production de boues faibles: Les filtres à assèchement produisent 0,4 à 0,6 kg de boues par kg de DBO éliminées, comparativement à 0,6 à 0,9 kg pour les boues activées, ce qui réduit les coûts de manutention et d'élimination des boues.
  • Fonctionnement sans bruit et sans odeur[ (lorsqu'il est bien conçu): Les filtres fermés peuvent être très discrets, ce qui les rend adaptés aux zones résidentielles.

Limitations

  • Exigences en matière de terres : Même avec des milieux plastiques, les filtres à aspersion occupent plus de terres que les bassins à boue activée pour la même capacité de traitement.
  • Conglage et étang[: Des charges organiques élevées ou une mauvaise distribution peuvent provoquer des obstructions des médias, entraînant des étangs de surface et une réduction des performances.
  • Odeur et mouches: Les systèmes ouverts peuvent émettre du sulfure d'hydrogène et attirer les mouches filtrantes (Psychoda) si la ventilation est insuffisante ou si des conditions de production de sulfures se développent à l'intérieur du biofilm.
  • Sensibilité à la température[: L'activité biologique ralentit à basse température; la nitrification peut cesser en dessous de 10°C à moins que le filtre ne soit fermé et chauffé.
  • Élimination des éléments nutritifs limitée : Il est difficile d'éliminer simultanément l'azote et le phosphore à de très faibles concentrations (p. ex., azote total < 3 mg/L) sans procédés unitaires additionnels.

Comparaison avec d'autres processus de traitement biologique

ParameterTrickling FilterActivated SludgeMoving Bed Biofilm Reactor (MBBR)
Energy useLowModerate–highModerate
FootprintModerate–largeSmall–moderateSmall
Operational complexityLowHighModerate
Nutrient removalModerate (with staged design)High (with anoxic zones)]]]]][FLT:]][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:

Tendances et innovations futures

Le filtre à aspersion continue d'évoluer. Les principales tendances sont les suivantes :

  • Des designs de supports avancés[: Les fabricants produisent des supports avec des surfaces spécifiques encore plus élevées (jusqu'à 350 m2/m3) et des configurations qui favorisent des zones anoxiques dans le même filtre, permettant la nitrification simultanée-dénitrification en une seule étape.
  • Les boues activées intégrées à film fixe (IFAS)[: L'ajout de supports de biofilm (comme ceux utilisés dans les MBBR) aux bassins de boues activées améliore la capacité de nitrification sans augmenter le volume du réservoir.
  • : Les capteurs pour l'oxygène dissous, le pH et l'ammoniac permettent de régler en temps réel les taux de recirculation et la vitesse du distributeur, d'optimiser les performances et l'utilisation de l'énergie.
  • Contrôle de l'odeur: Les progrès dans la biofiltration et les épurateurs chimiques permettent d'installer des usines filtrantes dans des zones sensibles aux odeurs.
  • Relèvement du phosphore: Certaines plantes intègrent les précipitations de struvite provenant des boues produites par des filtres filtrants, transformant un flux de déchets en engrais à libération lente.
  • La résilience climatique: Des conceptions qui réduisent au minimum les pertes de chaleur (par exemple, des couvertures isolantes, des structures enfouies) permettent la nitrification dans les climats froids sans entraîner de coûts prohibitifs en énergie.

La recherche se poursuit sur la microbiologie des biofilms filtrants, y compris le rôle des bactéries anammox dans l'élimination de l'azote et l'utilisation de la bio-augmentation pour améliorer la dégradation des composés récalcitrants. Les articles récents de revue soulignent la capacité d'adaptation de la technologie aux contaminants émergents tels que les produits pharmaceutiques et les microplastiques, bien que la démonstration à grande échelle soit encore limitée.

Conclusion

Leur capacité à éliminer de façon fiable les matières organiques, à obtenir une nitrification et, grâce à une conception appropriée, à faciliter la dénitrification en fait un outil puissant pour respecter les règlements environnementaux. La combinaison de la faible consommation d'énergie, de la simplicité opérationnelle et de la robustesse a permis de continuer à les utiliser des petites usines rurales aux grandes installations métropolitaines. À mesure que les limites réglementaires se resserrent et que la demande d'infrastructures durables augmente, le filtre à trier risque de voir se poursuivre l'innovation, ce qui cimentera son rôle de cheval de bataille du contrôle de la qualité des effluents pour les décennies à venir.