CA1090316A - Materiaux-supports de fermentation biologique - Google Patents

Abstract

L'invention a trait au domaine des matériaux utilisés comme supports de microorganismes dans des milieux de fermentation et, notamment, à de nouveaux supports pour filtres biologiques. Ces supports sont constitues selon l'invention par des argiles cuites ou chamottes, sous forme de granulats de dimensions 2 à 25 mm, renfermant de petites quantités d'oligo-éléments tels que des métaux des types: Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, Co, Al, etc. servant de nutriments pour les microorganismes. De tels supports peuvent être notamment utilisés comme lits bactériens pour le traitement des eaux usées ou résiduaires.

Description

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La présente invention a trait au domaine des maté-riaux utilis~s comme supports de microorganismes dans des milieux de fermentation. Elle concerne plus spécialement de nouveaux supports pour filtres biologiques et leur applica-tion, notamment, dans le domaine du traitement des eaux résiduaires.
On utilise depuis longtemps dans diverses industries des cultures de microorganismes tels que bactéries ou autres qui, dispers~es dans un milieu aqueux plus ou moins riche en ~léments min~rauxjionisés ou non, se nourrissent d'un substrat organique ou inorganique, dans des conditions op~ratoires bien définies (a~ration, température, pH, etc.), pour effectuer un certain nombre de transformations par assimilation et meta-bolisation. Par exemple, selon un procéde maintenant classique du traitement des eaux usées, on utilise des microorganismes ~,`
pour digérer les substances polluantes soit 50US forme de boues activées dans des cuves ou bassins de fermentation soit sous forme de lits bact~riens où les zoogl~es, constituées par les microorganismes ou analogues, sont retenues sur un support fixe servant de lit de filtration des eaux a ~purer.
Dans ce procédé du type lits bactériens, on met habituellement en oeuvre comme support ~ixe des mat~riaux a base de silicates hydratés tels que notamment des pouzzolanes naturelles ou artificielles ou produits analogues. La spécificite des especes de microorganismes, accrochés au support, est fonction du milieu aqueux à traiter et des nutri~
ments que ce dernier renferme. Dans la pratique, il est souhaitable d'utiliser au maximum la masse vivante active ou biomasse, laquelle a besoin d'un certain nombre d'éléments pour assurer sa croissance, notament: de l'azote, du phos-phore, des métaux tels que: potassium, sodium, calcium, magnésium, manganèse, etc. Or, ces él~ments ne se retrouvent 3~
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pas fr~quemment, de façon concvmmittante, dans les substances polluantes d'une eau donn~e. Il est alors fort difficile dlassurer un taux de naissance optimum des diverses especes mises en contact avec un milieu déterminé.
Le probleme se pose donc de pouvoir mettre au point et disposer d'un lit bactérien ou toutes les especes de micro-organismes habituellement utilisées sont assurées en perma-nence d'une croissance maximum et ou la ~iomasse est parfaite-ment retenue et uniformément distribu~e sur le lit de filtra-tion.
Il a maintenant trouv~ une solution tout a faitsatisfaisante a ce probleme, laquelle permet de compl~ter harmonieusement les carences en nutriments des milieux à
traiter et de satisfaire aux criteres d'un support assurant une forte retention de la masse bactérienne, à savoir une bonne porosit~ et une grande surface développ~e.
La présente invention propose de nouveaux supports pour filtres biologiques qui sont constitués par des argiles cuites, sous la forme de granulats de dimensions moyennes 2 à 25 mm, renfermant de petites quantités d'oligo~ ments qui servent de nutriments aux microorganismes accrochés auxdits supports.
Parmi les principaux oligo él8ments pr~sents dans les argiles-~upports et dont certains agissent à l'~tat de traces, on peut citer tout particulièrement des metaux tels que: ~er, cuivre, zinc, manqanese, molybdene, cobalt, aluminium. Ce~ m~taux complatent les eléments habituellement nécessaires à la croissance bactérienne et qui sont, soit deja présents dans l'argile crue utilisée comme matiere premiere soit ajoutés a cette derniere, a savoir: azote, phosphore, potassium, sodium, magnésium, calcium...

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- ~g~3~6 Les nouveaux supports ~iolo~iques selon l'invention, produits solides à porosité contrôl~e, sont obtenus par ajout des éléments metalliques manquants ou en quantite insuffisante a des argiles ou tout autre substrat mineral ayant une cohésion en cru suffisante (par exemple produit minéral lié par bento-nite, colle, argile, résine naturelle ou synthétique, etc.).
Parmi les argiles utilisables comme matieres premieres, on peut citer tout particulièrement des argiles naturelles telles que celles des types: illitique (habituellement utilis~e pour la fabrication des tuiles et briques), kaolinique (produits r~fractaires, céramiques), montmorillonitique, ou des melanges de ces produits. Laquantite d'elements a intro-duire dans l'argile crue, ou matériau equivalent, est deter-minee par comparaison entre la composition chimique (en ~ et en oxyde) de l'argile ayant subi une calcination a plus de lG00C avec les taux minimum des éléments métalliques précités ;
qui doivent etre présents dans le support final.
Selon un procéde de préparation particulièrement avantageux, qui permet d'obtenir des support homogenes et d'excellente porosité, le m~lange de l'argile crue et des ajouts est effectué par voie seche, les matériaux étant broyes puis ensuite humidifies et malaxés pour obtenir des boudins qui sont soumis a une cuisson a température de 1200 a 1300C, par exemple dans un our rotatif; la chamotte r~cupéree est alors broyée et tamisée aux granulométries désirées généralement comprises entre 5 et 25 mm.
Les produits ajout~s a l'argile de d~part sont introduits sous toute forme convenable, par exemple à l'état d'oxydes ou sels pour des métaux tels que: Fe, Cu, Zn, Mn, etc., ou a 1'état demlnéraux carbonatés ou silicatés, tels que: calcaire, dolomie, talc, feldspath, stéatite, pour les eléments tels que Ca, Mg et analogues.

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3~6 Selon un autre mode de mise en oeuvre, on peut op~rer par voie humide ou les matieres premières finement broyees sont mélang~es en milieu de dispersion aqueux, la pâte obtenue après concentration de la suspension étant mise sous une forme convenable ~étirage, extrusion, etc.) avant cuisson au four. Bien entendu, des variantes peuvent être apportées à ces proced~s non limitatifs, conformement aux m~thodes habituellement employ~es dans la fabrication connue des pâtes ceramiques~
Les supports biologiques selon l'invention trouvent des applications int~ressantes dans de nombreux domaines; ils conviennent particulièrement bien pour l'utilisation comme lits bacteriens fixes dans la filtration des eaux residuaires.
L,exemple qui suit illustre, à titre indicatif, la préparation d'un support à base d'argile cuite dopee selon l'invention et montre sa superiorit~ par rapport aux supports classiques du type pouzzolane dans l'application susvisee de lit bact~rien.
Exemple On a m~lange à sec, sous ~rme de produits pulveru-lents de diamètre moyen de particules inférieur a 100 microns, dans un dispositif à vis helicoidale: une argile naturelle de type kaolinique avec de l'oxyde de fer ~eventuellement), de l'oxyde de cuivre, de l'oxyde de zinc, du bioxyde de manganèse, du feldspath et de la dolomie en des quantites telles que l'on obtienne après cuisson un materiau renfermant les ~l~ments essentiels suivants:

~.

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sous forme d'oxydes équivalent en métal % en poids g/kq de mat~riau Fe203 : 1,2 Fe CuO : 0,2 Cu ; 1,5 ZnO : 9,1 Zn : 1 K20 : 1,2 K : 10 Na20 : 1,6 Na : 12 MnO2 : 0,6 Mn : 4 CaO : 0,6 Ca : 4 MgO : 1 ~.g : 6 le complément à 100% étant representé par les constituants `;
propres de l'argile de base dont essentiellement de la silice et de l'alumine.
~ ne fois le mélange a sec effectué, on a soumis la composition a une humidification aqueuse puis à un malaxage dans un appareil à vis sans fin fournissant des boudins qui ont ensuite été cuits au four rotatif à 1.300C environ. La chamotte obtenue a été alors broyée dans un concasseur à
mâchoires puis tamis~e pour obtenir des granulats de la sur- ;
face spécifique d~sirée, dont le diamètre moyen était de 10 à 2~ mm.
Cette chamotte dop~e a ét~ utilisée comme support pour lit bact~rien de filtration d'eaux usées, en utilisant comme microorganismes des souches nitrifiantes autotrophes aérobies ~de type zooglées). Les essais ont été effectués dans une installation pilote en colonnes de verre d'une part sur de l'~au brute ayant subi un simple d~grillage, d'autre part sur de l'eau débourbée c'est-a-dire ayant subi en outre une décantation primaire sans addition de floculants et/ou coaulants. Pour tous ces essais, la vitesse de passage de l'eau sur le lit fixe était d'environ 1 Om/h, le flux étant dirigé de bas en haut; le débit d'air moyen était régl~ à

, 250 l/h dans les colonnes; le p~l etait de l'ordre de 7,7 à
7,8 et la temp~rature voisine de 10C.
Pendant la duree des essais, on a mesure chaque jour les taux de NH3 éliminés de l'eau a traiter grace a l'ac~ion du lit bactérien de façon à calculer les rendements de l'opération de nitrification. Ces rendements sont exprimes en ~ dans le tableau 1 ci-dessous ou l'on a etabli une compa-raison avec un lit bactérien classlque à support pouzzolane, toutes conditions etant égales par ailleurs:
Ta_leau 1 _ _ _ _ Rendements(%) d'élimination NH3 Support Type d'eau - _ ler jour 2jour 3jour 4jour 5ème jour ____ .

Pouzzolane Eau debourbée10 18 20 36 30 chamotte Eau débourb~e 50 28 50 56 52 dop~e .
_ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Pouzzolane Eau brute 10 18 21 18 30 chamotte Eau brute 35 36 50 52 60 dopee . .

Comme on peut le voir d'après ces resultats, une chamotte dop~e à oligo-éléments selon l'invention procure, grace a l'activation de la biomasse dont le taux de croissance est optimum, une amélioration spectaculaire du rendement de .`
nitrification par rapport aux procédés classiques de filtration biologique, et ceci dès le premier ~our de traitement. On : :
obtient des r~sultats similaires dans le cas de l'elimination d'autres polluants de l'eau en présence des souches bact~
riennes correspondantes.

:- . , . : ,.: . .

1~ L6 Ainsi, ~râce aux nouveaux produits selon l'invention, il devient possible d'améliorer considérablement les xende-ments d'élimination des polluants et donc de réaliser une :
économie appréciable dans le traitement d'~puration des eaux usées par passage sur lits bactériens.

.. . . . . . .

Claims (7)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Supports pour filtres biologiques, du type contenant un matériau assurant une forte rétention des diverses espèces de microorganismes alimentés par le milieu à traiter, carac-térisés en ce qu'il sont constitués par des compositions homo-gènes, sous forme de granulats de dimensions moyennes 2 à 25 mm, à base d'argiles cuites et de petites quantités d'oligo-éléments.

2. Supports selon la revendication 1 caractérisés par le fait que les oligo-éléments sont choisis dans le groupe constitué par les métaux suivants: fer cuivre, zinc, manga-nèse, molybdène, cobalt et aluminium.

3. Supports selon la revendication 2 caractérisés en ce que les argiles cuites renferment, sous forme d'oxydes, outre les éléments habituels, les métaux essentiels suivants, exprimés en g/kg d'argile: Fe 5 à 10; Cu 0,8 à 2,0; Zn 0.5 à
3; Na 8 à 14; K 8 à 14; Ca 2 à 5; Mg 4 à 8; Mn 1 à 5.

4. Supports selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par addition à des argiles crues des-dits oligo-éléments sous forme de minéraux ou composés corres-pondants puis par cuisson à température supérieure à 1000°C, les argiles cuites ainsi obtenues étant ensuite broyées et tamisées à la granulométrie désirée.

5. Supports selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'addition s'effectue soit par voie sache, les produits étant ensuite humidifiés et malaxés pour obtenir des boudins soumis à la cuisson, soit par voie humide en milieu de dispersion aqueux.

6. Supports selon la revendication 4 ou 5 caractérisés en ce que les argiles crues sont constituées par des argiles naturelles: illitique, kaolinique, ou montmorillonitique ou des mélanges de ces produits.

7. Méthode de traitement des eaux usées ou résiduaires au moyen de lits bactériens, caractérisée en ce que l'on utilise comme lits bactériens des supports tels que définis à
la revendication 1.