Brevet FR2189103A1 — publié le 19740125

La présente invention concerne un procédé de dissolution d'un gaz dans un liquide et vise plus particulièrement l'épuration biologique des eaux usées,par traitement secondaire avec mise en contact itoxygène,au moyen de boues activées. On sait que le traitement biologique de l'eau nécessite d'as surer les trois fonctions suivantes, à savoir, une oxygénation vigoureuse de l'eau pour alimenter le floc bactérien, une agitation pour éviter que ce floc ne décante et ne rassemble dans le fond du bassin, et l'élimination du gaz carbonique produit par la fermentation. Pour effectuer ce travail, on a proposé divers procédés dont les principaux sont les suivants Selon le procédé dit de microbullage, on injecte de l'air au fond du bassin à travers un élément poreux et une partie de l'oxygène sert à ali menter le floc, tandis que le reste sert de moyen de brassage. ##inconvénient de ce procédé est sa consommation énergétique relativement importante, de ltordrs du kw par kg d'oxygène dissous.Pour palier cet inconvénient, on a proposé d'utiliser des turbines agitatrices de surface, engendrant une nappe d'eau en forme de coupelle renversée, qui d'une part s'oxygène au contact de l'air ambiant, et d'autre part entre de ##air en retombant sur la surface libre de 11 eau du bassin. le mélange de cette eau qui a été ainsi oxygénée avec l'eau restante du bassin est assurée par la turbine elle-même. Ce mode opératoire conduit à une consommation énergétique plus faible de tordre de 0,5 kir par kg d'oxygène dissous. Ces deux procédés, qui ont été proposés pour mettre en présence de l'air et l'eau en vue d'assurer une dissolution d'oxygène de l'air dans l'eau traitée se prête mal au traitement à l'oxygène pur. En effet, le microbullage peut être employé dans de bonnes conditions, mais il n'assure pas suffisam# ment de brassage ; en outre des bulles ont tendance à se rassembler, à entrer en coalescence, ce qui provoque leur montée à la surface du bassin en même temps que le gaz carbonique qui a pu se former. Dans ces conditions, il 1est difficile de recycler l'oxygène qui n'a pas été utilisé et le rendement du procédé est relativement mauvais.Ce m me défaut se produit avec le procédé utilisant la turbine de surface, car le dégagement de gaz carbonique s'effee- tue également dans ltatmosphère du gaz à dissoudre. Ces inconvénients ont été seulement partiellement évités en disposant, au-dessus de la zone de travail, es cloches qui permettent de créer des atmosphères contr#lées alimentées en air enrichi en oxygène et qui, par un jeu de recyclages de cloche en cloche, permettent de maintenir la teneur en gaz carbonique en dessous de certaines limites telles que la~iissorution d'oxygène dans l'eau peut encore se produire dans des conditions acceptables. On a également proposé d'utiljser des organes rotatifs du type à pompes à palettes, dans lesquelles on établit une masse liquide qui est soumise à une force centrifuge de rotation et qui s'écoule depuis une extrémité d'alimentation, qul est la partie de la dite masse liquide la plus proche de l'axe de rotation, où s'effectue l'admission du liquide et du gaz à l'état sub stantiellement séparé, vers une extrémité de décharge qui est plus éloignée de l'axe de rotation.Ces dispositions assurent un mélange relativement hétérogène d'eau et d'air qui est aspiré par l'effet de déplacement de l'eau dans des canaux de forme généralement radialement divergente, mais dans tous les cas, l'eau, à la sortie de llorg^ne rotatif, doit nécessairement être brassée énergiquement et par voie mécanique avec l'eau du bassin de façon à assurer un mélange convenable par éclatement des bulles dtair qui ont été entraainées par l'eau en mouvement.Cette fanon de faire conduit encore à des rendements éner- gétiques relativement faibles, car la dissolution de l'air dans l'eau est loin d'être homogène et la nécessité de provoquer un brassage ultérieur conduit toujours à une augmentation notable de l'énergie nécessaire à la dissolution. La présente invention concerne un procédé de dissolution d'un gaz dans un liquide, où cette dissolution est faite dans les meilleures conditions grâce à ltétablSssement d'une masse liquide en mouvement, dans laquelle est mélangé un grand nombre de fines bulles, à l'exclusion de bulles de gaz de dimenslons trop fortes qui sont elles#meAses automatiquement éliminées. Un autre avantage de I' invention est de pouvoir assurer un brassage du liquide à forte dissolution de gaz dans le corps liquide à plus faible dissolution de gaz par des moyens énergétiques ayant un très haut rendement. Selon I'invention, d'une part on assure un cheminement à vitesse contrôlée de la dite masse liquide entre les extrémités d#alimentation et de décharge par développement d'une contre-pression agissant dans une partie aval du cheminement de la dite masse, d'autre part on alimente la dite masse à dé- bit dosé de liquide pour nenager une zone préalimentatrice radoalement situe antre l'axe de rotation et l'extrémité d'alimentation de la dite masse, dans laquelle on admet du liquide et du gaz et où l'on effectue une division au moins grossière du liquide et sa projection à l'état, divisé vers la dite extrémité d1 alimentation. Ce mode opératoire présente plusieurs avantages : en effet, du fait de la contre pression et de l'alimentation dosée, on établit ainsi une masse de liquide en mouvement à vitesse relativement faible qui présente, dans sa partie amont par rapport au sens de cheminement, une extrémité d'ali- mentation qui est relativement bien définie et qui sert en quelque sorte dtin- terface de séparation entre les bulles fines et les bulles plus grosses.On comprend en effet que la projection du liquide en particules divisées permet l'entratnement vers, et l'insertion dans, la masse liquide d'un grand nombre de bulles de dimensions diverses. Cependant, du fait de la vitesse de cheminement relativement faible de la masse liquide de son extrémité amont d'alimentation vers son extrémité de décharge aval, seules les plus fines bulles sont en tratnées par la dite masse en mouvement, tandis que les plus grosses bulles remontent àcontre-courant du liquide pour revenir dans la zone préalimentatrice essentiellement constituée d'atmosphère gazeuse parcourue par des jets de liquide.On constitue ainsi une masse liquide en mouvement qui se présente sous une forme substantiellement homogène en ce qui concerne la taille et le nombre élevé des bulles qu'elle entratrie et ces bulles sont précisément celles qui sont de plus faibles dimensions, donc les plus aptes à se dissoudre dans les meilleures conditions à ltintérieur de la masse liquide. Selon une forme préférentielle de l'invention,le développement de la contre-pression agissant dans une partie aval du cheminement de la masse liquide est obtenu par une configuration du cheminement qui présente une partie radialement centripète aboutissant à l'extrémité de décharge.De la sorte, on assure non seulement un écoule~ ment relativement lent et réglé de la masse liquide depuis l'extrémité d'alimentation Jusqu'à l'extrémité de décharge, mais également on assure, grâce à la surpression qui se produit en deçà de 1' extrémité de décharge, grâce à une force centrifuge plus importante, des conditions qui permettent une dissolution plus poussée et plus rapide des bulles de gaz dans la masse liquide. Selon une forme de mise en oeuvre du procédé, on agence une masse liquide ayant une forme substantiellement annulaire tournant autour de son axe de symétrie et ltextrd- mité annulaire d'alimentation de la dite masse liquide annulaire est précédée par une zone annulaire co-axiale à l'axe de rotation. Egalement on prévoit que la division, même très grossière du liquide, dans la zone préalimentatrice s'effectue de préférence par centrifugation et simultanément à une projection de celui-ci vers l'extrémité annulaire d'alimentation de la masse liquide. L'invention a également pour objet une installation de réaction d'un liquide avec un gaz, en particulier pour le traitement biologique d'une eau usée par un gaz riche en oxygène, du genre comportant un réservoir pour le liquide avec un organe d'alimentation, un organe de soutirage du liquide, un moyen de dissolution du gaz dans le liquide et, cette installation se caracté- rise essentiellement en ce que le moyen de dissolution comporte un organe rotatif de transfert de liquide communiquant à l'amont avec une chambre de préalimentation radiale, la dite chambre étant raccordée à un moyen d' alimenta- tion en liquide et en gaz. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une installation de traitement d'eau usée selon l'invention ; - la figure 2 représente une vue à échelle plus grande d'un détail de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation ; - la figure 4 est une autre variante de réalisation. En se référant aux figures 1 et 2, on voit qu'un bassin de traitement 1 est équipé de deux unités d'oxygénation 2 et 3 chacune comportant un organe rotatif 4, 41 animé par un moteur 5, 5' avec une cloche t, 6' alimentés en oxygène re ativement pur par exemple, er oxygène à 85% de pureté par des conduits 7, 7'.Comme on le voit plus particulièrement en la figure 1, 1' organe rotatif comporte essentiellement un rotor qui est entratné par un axe 20 portant un corps intérieur 21 définissant avec une enveloppe externe 22 une chambre annulaire 23, la chambre annulaire 23 présente une première partie amont 24, qui s'étend d'une façon radialement centrifuge depuis l'arbre 20 jus qu a une zone périphérique 25-. A cette partie amont 24 fait suite une partie médiane 26 qui se présente sous la forme d'une section annulaire concentrique à l'arbre 20. Cette partie médiane 26 débouche dans une partie radialement cen tripote 27 d'extension radiale, cependant quelque peu plus faible que la distance radiale de la partie amont 24.Cette partie centripète 27 débouche dans un collecteur fixe 28, et en se référant à la figure 2 on voit que le collecteur fixe 28 s'étend vers le bas substantiellement au fond du bassin 1, par une cheminée 29 et débouche dans une chambre de distribution 30 qui est équipée d'une paroi supérieure 31, elle-même pourvue d'une pluralité de petits orifices 32. L'organe rotatif 4, est également équipé d'un déversoir 35, en sorte que lton peut ainsi contrôler aisément le débit de liquide qui pénètre dans l'organe rotatif 4. En fonctionnement, organe rotatif 4 est donc alimenté au voi Binage de son axe par un débit de liquide qui est facilement réglé et la zone adjacente à l'axe est sous atmosphère gazeuse et en particulier sous atmosphè- re contrôlée. Le liquide qui tombe dans l'organe rotatif est soumis à une division et à une projection par exemple en gouttelettes représentées en 36 s'écoulant dans une direction radialement divergente et forme ainsi une masse liquide qui est représentée en 37 par une interface de séparation relativement définie 38.En régime permanent de fonctionnement, on comprend que les particules de liquide qui sont proJtees radialement vers l'interface 38 entrat- nent du gaz et enfoncent avec elles des bulles de ce gaz dans l'extrémité d'alimentation, représentée en 39, de la masse liquide, et que dans la zone aval 27, sous l'effet de la force centrifuge, il se développe une contre-pres- sion qui est particulièrement favorable à la dissolution des bulles gazeuses dans la zone à haute pression 26.Dans la zone d'extrémité d'alimentation 39 s1 effectue une séparation entre les fines b###I #ts qui sont entratiées selon la flèche f par la masse liquide en mouvement et une remontée å contrecourant des grosses bulles qui reviennent dans l'atmosphère contrée de la chambre préalimentatrice 40, séparée de la masse liquide par une interface 38. Au cours de son cheminement, la masse liquide voit sa pression successivement augmentée progressivement dans la zone radialement centrifuge 24, puis se stabiliser dans la zone 26 à une pression haute, puis enfin décrottre dans la zone 27. On conçoit que dans les zones 24 et 26, puisque la pression monte et se stabilise à une valeur élevée, les fines bulles de gaz qui ont été entrat- nées se dissolvent dans la masse liquide. Cette haute pression a tendance à rendre la dissolution particulièrement uniforme dans tout le corps de la mas se. Il se peut,d'ailleurs, qu'une w partie de ce gaz dissous, si du moins on a atteint le domaine voisin de la saturation dans la zone 26, se reforme en fines bulles dans la zone de détente 27.Cependant ce phénomène se produit en formant des bulles microscopiques, qui sont entratnées par la masse liquide en mouvement dans le collecteur fixe 28 et de là jusqu'au fond de la cuve de trai tement 1 ; liteau ainsi saturée en gaz tel qu' oxygène, avec entratnement éven tuel de fines bulles s'échappe au travers des orifices 30 et vient donc se me langer avec l'eau restant dans la cuve de traitement, qui se trouve à un degré de dissolution nettement plus faible. L'eau ainsi mélangée a un mouvement as centionnel (flèche t en étant déviée par les parois déflectrices 41 Une par tie revient vers le déversoir 35 pour recevoir un nouveau traitement d'oxygé nation, tandis que le restant est soutiré du bassin de traitement. on comprend donc que l'on a utilisé ici au mieux l'énergie com muniquée à l'organe rotatif, puisqu'en effet il provoque non seulement une dissolution remarquablement homogène du gaz dans le liquide, mais également on utilise l'énergie de détente qui subsiste à l'extrémité de décharge pour trans férer l'ensemble du liquide traité par la cheminée 29 jusqu'au fond du bassin de traitement en provoquant ainsi un mixage complet du liquide à forte dissolu tion avec celui à faible dissolution, tout en évitant toute décantation. La variante de réalisation selon la figure 3 se distingue de cel le qui vient d'être décrite en ce que l'eau traitée issue du dispositif de dis solution 4 s'engage dans un tube de descente 43 ayant de larges ouvertures la aspiration térales d' ##pÎrnia 44 à son extrémité amont et débouchant à son extrémité basse directement dans le bassin de traitement 45, en regard de déflecteurs 46 tendant à imprimer un mouvement de remontée de l'eau selon la flèche o 3. De la sorte, une partie de l'eau est recyclée au travers des ouvertures 44 (selon flèche f 4), tandis qu'une autre partie s'écoule vers l'évacuation (selon flè che f 5).Cette forme de réalisation présente l'avantage d'une part que la di lution de l'eau sursaturée en gaz sortant du dispositif de dissolution 4 avec l'eau sous-saturée remontant à la surface du bassin 45 et passant au travers des ouvertures 44 évite l'éluvion de ce gaz et la coalescence des bulles durant la descente de l'eau dans le tube 43, d'autre part que la convection forcée im primée à la masse d'eau allonge la durée de contact oxygène-eau, en particulier s'il s'agit de micro-bulles entraînées par le courant d'eau. En se référant à la figure 4, on voit que le dispositif de disso lut ion 4 est ici placé près du fond du bassin de traitement, tout en étant en tratrié par un moteur extérieur 5 auquel il est lié par un arbre long 20'. L' ali- mentation en oxygène par 7" s'effectue alors sous pression. Une paroi déflectri ce 48 permet à l'eau traitée de circuler selon les flèches f6, f7, f8, f9, avant de parvenir en partie dans la chambre sous pression 49 au niveau du dé. versoir 35. L'invention s'applique non seulement au traitement biologique de l'eau, mais i tout procédé faisant appel à un contact gaz-liquide, par exemple aux réacteurs chimiques et biologiques. REVEND IC AT IONS 1. Procédé de dissolution dtun gaz dans un liquide, du genre oh l'on établit une masse liquide soumise à une force centrifuge de rotation, qui s'écoule depuis une extrémité d'alimentation qui est une partie de la dite se liquide la plus proche de l'axe de rotation, où s'effectue l'admission du liquide et du gaz à l'état substantiellement séparés, vers une extrémité de décharge qui est plus éloignée de ltaxe de rotation que ne l'est l'extrémité d'alimentation, caractérisé d'une part, en ce qu'on assure un cheminement à vitesse contrôlée de la dite masse liquide entre les extrémités d'alimentation et de décharge par développement d'une contre-pression agissant dans une partie aval du cheminement de la dite masse, d'autre part en ce qu'on alimente la dite masse à débit dosé de liquide pour ménager une zone pré-alimentatrice située entre l'axe de rotation et l'extrémité d'alimentation de la dite masse, dans laquelle on admet du liquide et du gaz et où l'on effectue une division au moins grossière du liquide et sa projection vers la dite extrémité d' ali- mentation. 2. Procédé de dissolution selon la revendication 1, caractérisé en ce que le développement d'une contre-pression agissant dans une partie aval du cheminement de la masse liquide est obtenue par une configuration du cheminement qui présente une partie radialement centripète aboutissant à l'extrémité de décharge. 3. Procédé de dissolution selon la revendication 1, caractérisé en ce que la division du liquide s'effectue par force centrifuge simultanément à une projection vers l'extrémité d'alimentation de la masse liquide. 4. Procédé de dissolution selon l'une des revendications 1 à ), caractérisé en ce qu'on agence une masse liquide ayant une forme substantiellement annulaire, l'extrémité d'alimentation de la dite masse liquide annulaire étant formée par une zone annulaire libre co-axiale à l'axe de rotation. 5. Procédé de dissolution selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on augmente localement le pouvoir de dissolution en gaz du liquide en augmentant localement la pression dans le corps liquide au-delà de la pression régnant au niveau de l'extrémité de décharge. 6. Procédé de dissolution selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre son extrémité d'alimentation proche de l'axe et son extrémité de décharge plus éloignée de l'axe, le corps de masse liquide en rotation aù tour du dit axe présente une partie qui est encore plus éloignée de l'axe de rotation que ne l'est la dite extrémité de décharge. 7. Procédé de dissolution selon l'ure twelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on maintient pendant un temps appréciable per rapport à la durée totale du cheminement entre ltextrémité d'alimentation et l'extrémité de décharge, l'augmentation locale de pression. 8. Procédé de dissolution selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on utilise la pression résiduelle du liquide issu de la zone de décharge pour assurer une circulation forcée du liquide. 9. Procédé de dissolution selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on utilise le mouvement de circulation pour assurer un effet de mélange du liquide à forte dissolution en gaz avec un liquide à faible dissolution en ce meme gaz. IO. Procédé de dissolution selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et 10 caractérisé en ce que le mouvement de circulation comprend un premier déplacement verticalement descendant vers un point bas d'une zone de traitement. 11. Procédé de dissolution selon la revendication 10, caractérisé en ce que le mouvement de circulation est un déplacement partiellement fermé sur lui-me#me. 12. Procédé de dissolution selon les revendications 10 et 11, caractérisé en ce que le liquide débouche au point bas d'une zone de traitement de liquide engendrant ainsi un déplacement ascendant du liquide de ladite zone. 13. Procédé de dissolution selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, appliqué à l'épuration biologique d'eaux, caractérisé en ce que le liquide est une eau en cours de traitement biologique et le gaz de l'air, ou de l'air enrichi en oxygène, ou de l'oxygène. 14. Installation de réaction d'un liquide avec un gaz, en particulier traitement biologique d'une eau par un gaz riche en oxygène, du genre comportant un bassin de traitement pour le liquide avec un organe d'alimentation et un organe de soutirage du liquide, un moyen de dissolution du gaz dans le liquide dans le réservoir, caractérisé en ce que le moyen de dissolution comprend une chancre annulaire rotative de transfert communiquant à l'amont avec une chambre de préalimentation centrale, ladite chambre étant raccordée à un moyen d1 alimentation en liquide et en gaz. 15. Installation de réaction selon la revendication 14, caraeté- risée en ce que la chambre de transfert et la chambre de préalimentation sont mécaniquement solidaires d'un arbre moteur. 16. Installation de réaction selon la revendication 15, caracté risdeen ce que la chambre de préalimentation et la partie amont de la -chambre de transfert sont disposées coaxialement l'une en l'autre. 17. Installation de réaction selon la revendication 16, caraetérisée en ce que la chambre de pré alimentation et la chambre de transfert sont formées par un seul et b@me organe rotatif. 18. Installation de réaction selon la revendication 14, earacté riséeen ce que la chambre de transfert comprend, selon un demi-plan axial, une partie de conduit amont radialement centrifuge et une partie de conduit aval radialement centripète, l'extension radiale de la partie aval étant plus fai ble que celle de la partie amont. 19. Installation de réaction selon la revendication 18, caracté- risée en ce que entre les parties amont et aval est ménagée une partie médiane à distance constante de l'axe de rotation. 20. Installation de réaction d'un liquide selon la revendication 14, caractériséeen ce que le moyen de dissolution est surmonté d'un déversoir axial, surplombé d'une chambre d'alimentation en gaz. 21. Installation de réaction d'un liquide selon la revendication 14 caractérisée en ce que la chambre de transfert communique avec un collecteur s'étendant soit vers le bas du bassin, si le dispositif de dissolution est situé en un niveau haute dans le bassin, soit vers le haut du bassin si le dispositif de dissolution est situé en un point 'bas' du bassin. 22. Installation de réaction d'un liquide selon la revendication 2T, caractérisée en ce que le collecteur comporte des ouvertures latérales dt eXpiration. 23. Installation de réaction d'un liquide selon la revendication 21 caractérisée en ce que la tubulure débouche sous une paroi de répartition transversale.