Brevet FR2214510A1 — publié le 19740819

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour dissoudre un gaz ou composant de gaz dans un liquide particulièrement pour dissoudre de l'oxygène dans de l'eau résiduaire organi-# quement polluée. Le liquide se trouve dans un récipient, on produit un courant de liquide dirige vers le bas et un courant de liquide- dirigé vers le haut, au moins une partie du liquide étant miels en circulation dans les deux courants. On connatt déjà un procédé pour l'épuration biologique d'eaux usées par action de l'air dans un bassin d'aération, dans lequel, par une agitation mécanique on produit dans la zone médiane du bassin un courant dirigé vers le haut, et dans les zones situées plus à l'extérieur un courant de liquide dirigé vers le bas. L'aération a lieu pendant l'inversion de direction du courant dans la zone supérieure du liquide. La vitesse du courant de liquide dirigé vers le bas est, sur toute l'étendue du parcours d1 écoulement, supérieure à la vitesse moyenne d'ascension des bulles d'air introduites dans le courant (brevet allemand 1 283 7639. L'inconvénient de ce procédé connu réside en ce que l'oxygène de l'air n'est pas totalement introduit dans l'eau usée, car on ne peut pas éviter qu'avec le courant ascendant un gaz contenant l'oxygène soit entraîné et rejeté à l'atmosphère. Si, dans ce procédé connu, on introduit~, au lieu de l'oxygène de l'air, de l'oxygène pur, ou un mélange d'oxygène et d'air, une partie importante de l'oxygène produit avec une grande dépense d'énergie serait inutilisée et rejetée à l'atmosphère. L'invention a pour but de réaliser un procédé pour dissoudre un gaz ou un composant d'un gaz dans un liquide, notamment pour dissoudre de l'oxygène dans de l'eau usée organiquement polluée, qui assure une introduction rapide et totale du gaz à dissoudre dans le liquide. Dans ce but le procédé de l'invention est casactérisé en ce qu'on amène le gaz à dissoudre au courant de liquide dirigé vers le bas, la vitesse moyenne du courant liquide vers le bas étant maintenue, au moins sur une partie du parcours d'écoulement, inférieure à la vitesse d'ascension des bulles de gaz. L'invention résoud le problème posé d'une manière avantageuse. Du fait que le gaz à dissoudre est amené dans le courant de liquide dirigé vers le bas, et que la vitesse de ce courant est, au moins sur une partie de son parcours vers le bas, inférieure à la vitesse d'ascension des bulles de gaz, il est possible de-réaliser une introduction très importante du gaz dans le liquide déjà à l'intérieur de cette partie de l'écoulement. Les pertes de gaz sont faibles car aucune bulle d D air n'est entraînée dans le courant dirigé vers le haut et entraînée avec celui-ci jusqu'à la surface supérieure du liquide pour etre rejetée dans l'atmosphère au-dessus du liquide. A cela s' ajoute que le degré d'échange entre gaz et liquide est très élevé, car les deux fluides se déplacent à contre courant avec une différence de vitesse aussi grande que possible. Le procédé convient ainsi particulièrement avantageusement pour l'introduction d'oxygène presque pur dans de l'eau biologiquement polluée. Pour de nombreux cas, par exemple lorsqu'un composant d'un mélange de gaz, ou un gaz difficilement soluble, doit être introduit dans un liquide, il est judicieux de produire des parcours d'écoulement aussi grands que possible pour le gaz à l'intérieur du courant de liquide dirigé vers le bas. Suivant une autre caractéristique de l'invention, cela est obtenu en prévoyant que, non seulement sur une partie du parcours d'écoulement, mais sur la totalité de ce parcours, la vitesse moyenne du courant de liquide dirigé vers le bas est maintenue inférieure à la vitesse d'ascension des bulles de gaz dans ce courant, auquel cas le gaz, qui, après avoir parcouru la totalité du parcours d'écoulement, n'a pas été dissous,est récupéré et à nouveau introduit dans le traitement.Ce procédé convient par exemple pour l'introduction d'oxygène ou de mélanges de gaz riches en oxygène dans des eaux usées biologiquement polluées. Pour une augmentation de la vitesse d'introduction du gaz dans le liquide, il est prévu, suivant une autre caractéristique de l'invention, de maintenir la phase gazeuse au-dessus du liquide en état de surpression. Pour une augmentation supplémentaire de l'efficacité du procédé, il est enfin avantageux de prévoir, à l'intérieur du courant de liquide dirigé vers le basides dispositifs mélangeurs, fixes ou mobiles, en vue d'accroitre le parcours d'écoulement du liquide et du gaz et d'augmenter la surface d'échange. Bien que le procédé de l'invention doive servir avant tout à dissoudre un gaz ou un composant de gaz dans un liquide, il convient avec le mame résultat à lgextraction d'un gaz ou d'un composant gazeux hors d'un liquide. Pour cette utilisation, il est particulièrement avantageux d'opérer avec une sous-pression. L'invention s'étend à un dispositif pour l'application du procédé ci-dessus, caractérisé par au moins un canal d'écoulement fo#rmé par des cloisons séparatrices, à l'intérieur d'un bassin à liquide, et s'étendant verticalement, avec une première portion et une seconde portion élargie vers le bas par rapport à la première, un dispositif de mise en circulation étant disposé dans la première portion, et un dispositif d'introduction de gaz étant disposé au-dessus ou au-dessous du dispositif de circulation. La vitesse du courant de liquide dans ## dispositif est, dans la première portion du canal ##écoulement, plus grande que la vitesse d'ascension des bulles de gaz qui sont amenées déjà dans la première partie du liquide, -et sont entrainées dans la seconde partie, en raison du rapport des vitesses avec le courant de liquide. Dans la seconde portion, la vitesse du courant. de liquide diminue en raison de l'élargissement du canal d'écoulement, suffisamment pour qu'aucune bulle de gaz ne soit entraînée, mais restent dans cette seconde portion où elles participent à un autre. échange de matière, à contre-courant avec le liquide, ce qui aboutit à une introduction plus importante du gaz dans le liquide. D'autre caractéristiques du dispositif de l'invention concernent des mesures relatives à la technique et à la construc tiàn des éléments. Pour le cas ou la vitesse du courant liquide qui s'écoule à l'intérieur du canal- dtécoulement est, tout le long de la totalité du parcours d'écoulement, inférieure à #la vitesse d 'ascension des -bulles de gaz, la- section transversale du parcours d'écoulement peut être maintenue constante sur la totalité de sa. longueur. Du fait que-l'extrémité supérieure du canal d'écoulement est fermée, les bulles de gaz qui apparaissent à la surface du liquide dans le canal d'écoulement sont-captées et peuvent sistre introduites à nouveau dans le dispositif. Du point de -vue constitutif il est avantageux. de prévoir comme dispositif de circulation ainsi que comme dispositif de dégazage, une buse de mélange avec un diffuseur qui est disposée dans la zone supérieure du canal d'écoulement, au-dessus du liquide et dont le cbté aspiration est relié aussi bien avec la canalisation d' amenée de gaz qu'également avec la-ohambre de gaz du canal d'écoulement située au-dessus de la surface du liquide. Au lieu de la buse de mélange, on peut prévoir, dans des circonstances déterminées un sSEple orifice tubulaire audessus du niveau du liquide. Pour augmenter la surface d'échange, il est avantageux de prévoir, suivant une autre-caractéristique de l'invention, à l'intérieur du canal d'écoulement, d'autres dispositifs de mélangeage stationnaires ou mobiles. Pour le traitement de grands volumes de liquide dans un grand bassin, on peut disposer plusieurs dispositifs analogues à ceux décrits dans le liquide. La description ci-après se rapporte à des exemples de réalisation représentés aux dessins joints dans les figures 1 à 3. - la figure 1 montre un bassin à schlamm biologique 1 rempli d'un liquide contenant des impuretés à détruire. par voie biologique, dans lequel est disposé un canal d'écoulement comprennent une première portion 2 et une seconde portion 3s élargie vers le bas en forme de c8ne. Au moyen d'une pompe à hélice est produit, à l'intérieur du canal 4, un courant dirigé du haut vers le bas, et, à l'extérieur du canal, un courant de liquide dirigé du bas vers le haut. Une partie du liquide qui s'écoule est dirig en circulation à travers de larges courants. L'introduction d'oxygène dans le liquide s'effectue dans la première portion 2 du canal d'écoulement, par l'intermédiaire d'un dispositif d'introduction de gaz 6 disposé autdessals de la pompe 5, qui est raccor#dé par une conduite d'amenée de gaz 7 à une source d'oxygène, non représentée. A l'intérieur de la première portion 2 du canal d'écoulement est produit par la pompe un courant de liquide dont la vitesse est supérieure à la vite#e#mayenne d'ascension des bulles d'oxygène, de sorte que, tout d'abord, une grande partie des bulles d'oxygène est entraînée avec le courant de liquide dans la seconde portion 3 du canal d'écoulement. Cette portion possède, conformément à l'invention, la forme d'un tronc de c#nè élargi vers le bas, qui est dimensionné de telle manière que la vitesse moyenne dtécoulement du liquide dans ce domaine est inférieure à la vitesse moyenne d'ascension des bulles d'oxygène, de sorte qu'il se produits dans cette seconde portion du canal un échange de matière entre l'oxygène et le liquide circulant à contre-courant.A celà s'ajoute que, en raison des vitesses décroissantes du haut vers le bas du courant de liquide dans cette seconde portion, il se produit une dispersion complète des bulles d'oxygène, car les plus petites bulles ayant moins de force ascensionnelle sont entraînées plus bas dans cette seconde portion du canal que les plus grosses à force ascensionnelle plus grande. Ainsi les surfaces d'échange entre l'oxygène et le liquide sont considérablement augmentées. Au total, le dispositif représenté permet une introduction complète de l'oxygène dans le liquide. Il ne se produit aucune perte d'oxygène du fait de l'absence de bulles d'oxygène non dissous dans le courant de liquide dirigé vers le bas et entraînées vers la surface libre du liquide pour être finalement diffusées dans l'atmosphère. En outre, un autre avantage réside en ce que le bassin de traitement n'a pas besoin autre pourvu d'une fermeture étanche aux gaz, même dans le cas d t introduction oxygène relativement coûteux. Pour le cas où l'oxygène à dissoudre serait enrichie avec des gaz inertes, ceux-ci peuvent autre récupérés par la conduite 22. L'eau usée non épurée est amenée au bassin 1 par la conduite 8, tandis que l'eau épurée passe par dessus. le trop plein 9 dans la conduite 10 et le schlamm déposé est évacué par la conduite il. Suivant l'exemple de réalisation de la figure 2, le canal d'écoulement 12 possède, sur toute sa longueur, la même section transversale dont l'extrémité supérieure traverse la surface du liquide et est obturée. Le dispositif dtintroduction des gaz 13 est disposé, dans cet exemple,. dans la partie inférieure du canal d'écoulement. Par la conduite 14, l'eau usée biologiquement polluée est amenée au canal d'écoulement avec ou sans schlamm biologique, et est transportée à travers celui-ci par la pompe rotative 5. La vitesse d'écoulement du liquide est, à travers la totalité du canal d'écoulement, inférieure à la vitesse des bulles d'oxygène ascendantes, de sorte qu'ici aussi a lieu un échange efficace entre l'oxygène et l'eau usée. L'oxygène non introduit se rassemble dans la partie supérieure du canal d'écoulement en saillie hors de 11 eau usée, et, par la conduite 15 et le ventilateur 16 elle est ramenée à la conduite d'amenée d'oxygène 17 dans le dispositif de traitement 13. Conformément à ce dispositif, la sortie d'oxygène non dissous dans l'atmosphère est totalement empêchée, de sorte qu'une fermeture du bassin est inutile. L'exemple de la figure 3 se distingue de celui de la figure 2 par la disposition du dispositif de circulation et du dispositif d'introduction de gaz. L'eau usée est amenée au canal d'éaoulement 12 à travers un diffuseur 19 raccordé à la buse, tandis que l'oxygène est amené à la buse de mélange 18 par une conduite d'aspiration 21 à partir de la conduite 20, pour être mélangé à l'eau usée, à l'intérieur de la buse. le mélange d'eau et d'oxygène parvient dans le canal d'écoulement 12 à travers le diffuseur 19. La buse de mélange, le diffuseur et le canal d'écoulement sont construits de telle manière qu'à l'intérieur du canal d'écoulement la vitesse moyenne d'écoulement du liquide soit inférieure à la vitesse moyenne d'ascension des bulles de gaz, de sorte qu'ici également est assurée une introduction maximale d'oxygène dans le liquide. -L'oxygène en excès, non introduit , se rassemble dans la zone supérieure du canal dlécoulemente d'où elle est aspirée à nouveau à travers les orifices supplémentaires 23 de la buse de mélange 18. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres variantes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVEEDICATIQNS I .- Procédé pour dissoudre un gaz ou un composant de gaz dans un liquide, notamment de l'oxygène dans une eau biologiquement polluée, le liquide étant contenu dans un récipient dans lequel on produit un courant de liquide dirigé vers le bas et un courant dirigé vers le haut, une partie du liquide etant mise en circulation dans ces deux courants, procédé caractérisé en ce qu'on amène le gaz à dissoudre au courant de liquide dirigé vers le bas, la vitesse moyenne du courant liquide vers le bas étant maintenue au moins sur une partie du parcours d' écoulemen+. inférieure à la vitesse d'ascension des bulles de gaz. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la phase gazeuse est maintenue au dessous du liquide avec une surpression. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le courant de liquide dirigé vers le bas à lwintérieur du liquide est canalisé au moyen de dispositifs de mélangeage fixes ou mobiles. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la vitesse moyenne du courant de liquide dirigé vers le-bas est, sur la totalité du parcours d'écoulement, maintenue inférieure à la vitesse ascensionnelle des bulles de gaz, le gaz non dissous qui traverse à contre courant le courant de liquide dirigé vers le bas étant capté et réintroduit dans le traitement d'introduction de gaz. 5. Dispositif pour l'application du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par au moins un canal d'écoulement (4) formé par des cloisons séparatrices, à l'intérieur d'un bassin à liquide, et s'étendant verticalement, avec une première portion (2) et une seconde portion (3) élargie vers le bas par rapport à la première, un dispositif de mise en circulation (5) étant disposé dans la première portion, et un dispositif d'introduction de gaz (6) disposé au-dessus ou audessous du dispositif de circulation (5). 6.1 Dispositif pour l'application du procédé suivant la revendication 4, avec au moins un-canal d'écoulement vertical, formé par des cloisons séparatrices, à l'intérieur d'un bassin à liquide, ainsi qu'un dispositif de mise en circulation à l'intérieur du canal d'écoulement et un dispositif d'introduction -de gaz, au-dessous ou au-dessus du dispositif de circulation, caractérisé en ce que la section du canal d'écoulement (12) le long de toute sa longueur est constantes l'extrémité supérieure du canal étant fermée et en liaison avec la conduite d'amenée de gaz (17) au dispositif d'introduction de-gaz-(13). 7. Dispositif suivant la revendication 69 caractérisé en ce que le dispositif de-mise en circulation et également le dispositif d'introduction de gaz sont constitués par une buse de mélange (18) disposée au-dessus dé la surface libre du liquide, avec un raccordement à la conduite d'amenée de liquide (14), un raccordement (21) à la conduite d'amenée de gaz (20), ainsi qu'une liaison vers la chambre supérieure du canal d'écoulement (12), un diffuseur (19) étant branché à la sortie de la buse de mélange. 8.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que des éléments de brassage fixes et/ou mobiles sont disposés à l'intérieur du canal d'écoulement t49 12).