Brevet FR2252985A1 — publié le 19750627

La présente invention a pour objet un réacteur pour le trai tement biologique des eaux usées, avec séparation fluide de la suspension et retour automatique de la boue activée à la chambre de fermentation, ce réacteur convenant en particulier à l'épura- tion des eaux usées relativement concentrees. Dans le traitement-biologique des eaux usées, lrintensité des processus purificateurs est d'autant plus élevée que la concentration de la boue activée dans la chambre de fermentation est plus forte. I1 y a par suite avantage à réaliser dans la chambre de fermentation une forte concentration en boue activée.Ce résultat est obtenu par le retour à la chambre de fermentation de la boue, séparée de lleau clarifiée dans la chambre de séparation.-LEffi- cavité maximale d'epuration des eaux usées est obtenue avec un réacteur comprenant, suivant un agencement compact particulier, une chambre de férmentation et une chambre de séparation, et dans lequel la boue activée est ramenée automatiquement å la chambre de fermentation par action des forces de gravité. Les dispositifs connus de cette catégorie présentent plusieurs inconvénients. L'un de ceux-ci est de ne pas permettre un équilibrage convenable des processus de séparation et de fermentation pour des concentrations variables des eaux usées avec conservation des conditions optimales sur les plans du fonctionnement et de l'économie.L'efficacité de la séparation dépend en effet, en particulier, de la grandeur des surfaces de séparation, et la fer mentation dépend, entre autres facteurs, du volune de la chambre de fermentation. I1 y a donc, pour des concentrations différentes des eaux usées, des valeurs optimales différentes pour les rapports entre ces paramètres, ce qui conduit, pour les types actuellement connus d'installations, à des types de construction différent notablement suivant les types d'eaux usées à traiter.Dans la plupart des genres d'installation, les rapports entre les dimensions varient avec-la capacité des installations (rapports variables entre les surfaces et les volumes) ce qui nécessite des modifications constructives suivant la capacité des installations d' épuration. I1 en résulte une série de difficultés de caractère technique correspondant, par exemple, aux caractéristiques hydrauliques différentes de l'installation, à des constructions ou à des plans particuliers, à des modifications aux installations, d' où proviennent des difficultés de standardisation et de fabrication en série. Ces difficultés retentissent aussi naturellement sur les facteurs économiques.Un autre inconvénient des installations actuelles est que, pour Ilactivation des boues par aération, Sest impossible d'utiliser des systèmes d'agitation par turbines profondément immergées, qui seules pourraient donner avec les dispositifs connus d'aération, une efficacité maximale. On comprend 80US l'appelation de systèmes d'agitation par turbine des systèmes provoquant une aspiration intense dans la direction axiale, et une pro-3ectiorl centrifuge du liquide dans le sens radial. Cet inconvénient proviens de ce que ltefficacité de la séparation dans ces réacteurs dépend des conditions de circulation dans la chambre de fernentation. Un dispositif d'agitation par turbine profondément immergée dans la chambre de fermentation apporte des conditions d'écoulement entièrement différentes de celles permises par les autres dispositifs d'aération. Une conséquence en est une dépense élevée en énergie pour le fonctionnement. Les inconvénients mentionnés sorlt en grande partie éliminés, suivant lå présente invention, par un réacteur pour traitement biologique des eaux, avec séparation fluide de la suspension et retour automatique de la boue activée à la chambre de fermentation, ce réacteur comprenant une cuve, de préférence de révolution, contenant dans sa partie supérieure une cloison inclinée présentant la forme générale d'un entonnoir en position normale ou renversée, la partie de la cuve placée au dessus de cette cloison formant une chambre pour filtration fluide et la partie de la cuve au dessous de ladite cloison formant une chambre de fermentation, la chambre pour filtration fluide comportant à sa partie inférieure une en trée présentant une résistance hydraulique et permettant le passage de lteau traitée dans la chambre de fermentation à la chambre de filtration fluide en meme temps que le retour, de haut en basr de lassuspension floculée contenue dans la couche fluide de cette chambre vers la chambre de fermentation, celle-ci contenant un dispositif de mise en circulation du liquide contenu, ce dispositif provoquant au voisinage de l'entrée dans la chambre de filtration fluide lln courant possédant une composante verticale descendante. De préférence, la chambre de fermentation comporte, au dessous de ladite cloison séparatrice, une seconde cloison formant avec la première un canal redresseur ouvert à ses deux extrémités et adjacent, à sa pàrtie inférieure, à l'entrée dans la chambre de filtration fluide. Le dispositif utilisé pour provoquer la cir culation du liquide est, de préférence, un dispositif agitateur à turbine, dans la zone d'aspiration duquel débouche un conduit amenant un agent d'oxydation. Des cloisons d'impact sont agencées à llintérieur de la chambre de fermentation pour empêcher un mouvement général circulaire du liquide dans cette chambre. Des exemples de réalisation du réacteur suivant l'invention sont représentés par les dessins annexés. Bur ces dessins : - les figures 1 et 2 montrent en coupe verticale axiale deux formes différentes de réalisation de ce réacteur. Be réacteur suivant la figure 1 comporte une cuve verticale de révolution comprenant une paroi latérale 1 et un couvercle 14. Le réacteur est intérieurement divisé en deux chambres de travail par une cloison séparatrice 2 placée dans la partie supérieure de la cuve. Ges chambres sont respectivement-. une chambre A de fermentation dans laquelle ont lieu les phénomènes microbiologiques d'épuration de l'eau, et une chambre F de filtration fluide pour la précipitation de la suspension de boue activée qui se for- me dans la chambre de fermentation A lors de l'épuration de l'-eau. La cloison séparatrice 2 a une forme en entonnoir, et est logée dans la partie supérieure du réacteur. Elle divise celui-ci en une chambre d-e fermentation A au dessous de ladite cloison, et une chambre F de filtration fluide au dessus. Au dessous de la cloison 2 se trouve, dans la chambre de fermentation A, un canal G redresseur du courant liquide, compris entre la cloison 2 et une autre cloison 4, et ouvert à ses deux extrémités.Le canal G est en liaison dans sa partie inférieure par l'entrée centrale 3 avec la chambre F de filtration fluide. La cloison 4 a également-une forme en entonnoir, et est concentrique à la cloison 2, le canal G compris entre les deux cloisons allant en s'élargissant de haut en bas. Le dispositif 5 mettant en circulation le liquide dans la chambre de fermentation est, dans la réalisation de la figure 1, un dispositif de brassage par turbine, monté suivant l'-axe du re- acteur au voisinage du fond de la cuve. Au dessous du dispositif 5 pour la circulation du liquide débouche une canalisation d'amenée d'un agent d'oxydation, de sorte que le dispositif~5 constitue en même temps une-partie du système d'oxydation du réacteur. L'agencement interne duFéacteur permet aussi ltemploi d'un dispositif 5 dlun autre genre, pour la mise en circulation du liquide, sous la forme p exemple sans amenée d'un agent d'oxydation, d'un agitateur à hélice ou d'xn système élévateur d'un mélange d'ssir et d'eau, disposé au voisinage de la péripherie du réacteur. Dans le cas dlune turbine, la chambre A de fermentation est munie de cloisons d'impact 7, empêchant une mise en rotation générale du liquide.Le réacteur eomporte aussi une conduite 8 d' évacuation pour l'entra1nement de la boue en excédent hors de la chambre de fermentation A. Dans cette chambre débouche aussi la conduite 10 d'arrivée de L'eau usée à épurer. Des conduits 9 de désaération sont disposés dans la partie supérieure de la chambre le fermentation A et s'ouvrent, suivant la réalisation représentée, dnns-une chambre 0, séparée de la chambre F de filtration fluide par une cloison 12, et munie d'un couvercle 14. La chambre O porte à son sommet un tube 15 pour l'évacuation des gaz, et à sa base un-tube 15 débouchant dans la chambre de fermentation F. Le réacteur ainsi décrit fonctionne comme suit : le liquide chargé de matières organiques, généralement une eau usée å teneur élevée en substances organiques, arrive dans la chambre de fermentation A par la canalisation 10. La disposition interne de la chambre de fermentation A permet ltépuration de l'eau dans le cas, aussi bien d'une teneur suffisante que d'une teneur insuffisante en oxygène polir les phénomènes de fermentation.La différence entre les réacteurs convenant à l'un ou l'autre type de fermentation est uniquement l'emploi ou le non-emploi de llagent d'oxydation pour le processus aérobie d'épuration de-l'eau. Un exemple de purification aérobie est l'activation classique, et un exemple d' épuration avec déficience en oxygène esst la dénitrification des eaux usées. Le réacteur représenté par la figure 1 convient à une épuration aérobie avec activation, et comporte à cet effet l'in- troduction en 6 d'un agent d'oxydation, par exemple de l'air, naturel ou concentré en oxygène.Le dispositif 5 pour-la mise en circulation du liquide est ici une turbine qui, d'une part engendre dans la chambre de fermentation A le courant liquide nécessaire, et sert d'autre part de source de turbulence accroissant 1' efficacité de L'oxygène ou de tout autre agent gazeux d'oxydation introduit dans le- liquide. Une turbine convient tout particulièrement à cet effet, car la majeure pattie de l'énergie dépensée pour l'entraSnement de ce- dispositif agitateur est utilisée à la crdation d'une turbulence assurant une capacité élevée d'oxydation et une efficacité élevée du phénomène. Le dispositif agitateur à turbine crée dans l'axe de la chambre de fermentation A un courant vertical dirigé vers le dispositif, et un courant radial centrifuge dans le plan de la turbine. L'agent oxydant est amené par la canalisation 6 dans la zone d' aspiration de la turbine. TeS cloisons d'impact 7 disposées dans la chambre de fermentation A contre la paroi verticale 1 s'opposent à une rotation d'ensemble du liquide dans cette chambre, et provoquent un redressement du flot liquide en un courant vertical ascendant le long de la paroi 1. Dans la partie supérieure de la chambre de fermentation A, le courant ascendant se transforme en un courant redescendant obliquement en direction de l'axe de là chambre de fermentation, puis le long de cet axe vers la tubulure d'aspiration de la turbine.Au cours de cette circulation, les gaz en suspension dans leSiquide, dans la partie supérieure de la chambre de fermentation A, se dégagent du liquide et sont entraî- nés danses conduits de désaération 9. Une partie du flux descen- dant du liquide ainsi désaéré pénètre dnns le canal redresseur G formé par l'intervalle annulaire au dessous de la paroi 2 de la chambre de fermentation A, entre cette paroi et la paroi 4 de la chambre de filtration fluide F. Le courant liquide dans le canal redresseur G a la meme direction que le courant principal de liquide dans la chambre de fermentation A au dessous de la paroi 4. 1e passage annulaire G a pour rôle de ralentir la vitesse d'écoulement du liquide au voisinage-du col 3 par lequel la chambre de fermentation h communique avec la chambre de filtration fluide F. Ce ralentissement de la vitesse du courant au voisinage du col 3 empeche la formation de tourbillons nuisibles dans la chambre F, et assure une efficacité élevée à la floculation de la suspension par la filtration fluide. Be canal redresseur G va en s'élargissant vers le bas, ce qui compense en partie la réduction de la section de passage due à la forme en entonnoir. Au cours du passage dåns le canal redresseur G, une partie des matières en suspension se sépare du liquide, ce qui contribue à un relèvement de 1' action séparatrice dans la chambre F de filtration fluide, une partie de la suspension coagulée étant ramenée directement à la chambre de fermentation.En sortant du canal redresseur G, l'eau tenant en suspension la boue activée entre dans la chambre F par le col 3. Au cours de la filtration dans la couche fluide, la suspension se coagule en flocons, et les portions les plus lourdes se déposent sous l'action de la pesanteur et retombent par le col 5 dans le canal redresseur G, d'où la suspension-coagulée est ra menée par le courant descendant à la chambre de fermentation h. L'eau clarifiée résultant de la filtration fluide est éva cuée par les rigoles 11 placées da-s la partie supérieure de la chambre S de filtration fluide. La boue en excès est évacuée pé riodiquement à ltoccasion d'un court arret de l'agitation dans la chambre de fermentation F. Cette évacuation se fait par la condui te 8.Si l'on doit épurer des ealux usées relativement concentrées, ce qui amène une formation abondante de mousses, l'action du ré- actezv est complétée par celle de la chambre 01 séparée de la chambre F par une cloison 12. La chambre O est fermée au sommet par le couvercle 14, portant un tube 13 pour la sortie des gaz du réacteur.Dans la chambre 0, les mousses se coagulent par gravité, et sortent de la chambre F par la conduite 9 de désaération avec les gaz. Les mousses coagulées s'écoulent par gravité dans la chambre de fermentation A par le tube 15. La chambre O peut servir à la récupération de l'oxygène con- centré non employé, si ce gaz est utilisé comme agent oxydant. Cet oxygène non employé, accompagné par des gaz formés au cours du processus de sédimentation et rassemblé dåns la chambre 0, est dirigé vers un autre réacteur, ce qui permet une utilisation plus rationnelle de ce gaz. L;emploi du réacteur suivant l'invention ntest pas limité à l'épuration aérobie des eaux usées. On citera comme autre exemple d'application la dénitrification des eaux, pour laquelle on appli- que un processus de fermentation avec une quantité déficiente en oxygène. Pour cette utilisation du réacteur, on introduit dans la chambre de fermentation A, ou pas d'oxygène du tout, ou une quan tité insuffisante pour réaliser les conditions aérobies nécessai- res à la fermentation.On utilise alors pour la mise en circula tion du~liquide dans la chambre de fermentation A, comme disposi tif 5, par exemple une hélice ou un système élévateur d'un mélange air-eau, à faible teneur en oxygène. Les deux dispositifs cités pour la mise en circulation du iiquide créent dans la chambre de fermentation h une circulation analogue à celle obtenue au moyen d'une turbine, ce qui assure dans le canal redresseur le débit nécessaire à une précipitation satisfaisante dans la chambre F de séparation fluide. Le réacteur représenté par la figure 2, et dans la description duquel on utilisera les merres références que sur la figure 1 pour les éléments semblables, convient principalement à aes réacteurs de forte capacité. I1 diffère de celui de la figure 1 en ce que la chambre F de filtration fluide ent placée à la partie supérieure du réacteur, à la périphérie de celui-ci, la paroi 1 se prolongeant par une portion en entonnoir.La paroi p séparant la chambre de fermentation A de la chambre de filtration fluide F a une forme en entonnoir renversé, et se termine au sommet par un couvercle 14 portant un tube 13. Le bord inférieur de la paroi 2 et la paroi 1 limitent le passage annulaire 3 faisant communiquer la chambre B de filtration fluide avec la chambre A de fermentation.Dans la chambre A se trouve un dispositif 5 pour la mise en circulation du liquide, et qui contribue en meme temps à la dispersion de llagent d'oxydation et à 1'accroissement de la turbulence du liquide.Le dispositif 5 est ici une turbine, vers 1' aspiration de laquelle l'agent d'oxrdation est amené par une canalisation 6. A l'intérieur de la chambre de fermentation A une cloison circulaire 4 entoure concentriquement la turbine 5, et est placée sur le trajet du courant radial centrifuge provoqué par celle-ci. Comme dans la réalisation précédente, des cloisons d' impact 7 empêchent le liquide de prendre dans la chambre de fermentation A un mouvement général de rotation autour de l'axe.Le passage annulaire 3 vers la chambre S de filtration fluide est relié à la chambre de fermentation A par un canal annulaire P, formé entre la paroi extérieure 1 et une paroi 16. Ce canal débouche dans la chambre de fermentation A å une hauteur où le courant liquide créé par la turbine 5 et la cloison 4 est dirigé-principalement vers le bas.La cloison 4 se prolonge vers le bas au dessous de l'entrée du canal P, et forme avec la paroi 16 un canal redresseur G, de section telle que ltécoulement dans ce canal ne provoque pas de tourbillon dans le canal annulaire P, et contribue au retour de la suspension coagulée de la chambre B de filtration fluide à la chambre A deXermentation. La chambre close Q est, dans cette forme de réaliration, lisitee à ltespace surmontant la cham- bre centrale de fermentation A. Le fonctionnement du réacteur suivant la figure 2 est analogue à celui du réacteur suivant la figure 1. La disposition de la chambre B de filtration fluide à la périphérie de la partie supérieure du réacteur permet une augmentation de la surface de séparation de la chambre B de filtration fluide grâce i un évasement en entonnoir -de la paroi 1 au sommet du réacteur. Le canal annu laire de liaison P permet aussi dans cette réalisation d'utiliser une turbine comme dispositif 5 de mise en circulation du liquide dans la chambre de fermentation A. Comme avec le réacteur de la figure 1, il est possible d'utiliser le réacteur de la figure 2 pour des procédés différents d'épuration, par exemple pour une dénitrification avec déficience en oxygène.On peut employer comme dispositif 5 une hélice QU un système élévateur d'un mélange aireau avec admission reduxte d'oxygène atmosphérique, de façon à obtenir une circulátion suffisante du liquide, en même temps qu' une teneur du liquide en oxygène insuffisante pour des processus biologiques de Sermentation. En fermant la chambre de fermentation A et en l'équipant d'un dispositif mécanique d'oxydation particu Fièrement efficace, il est possible d'employer dans des conditions économiques de l'oxygene à teneur élevée comme agent oxydant pour des épurations aérobie.La forme du réacteur n'est pas limitée à une forme 1 de révolution, avantageuse dans le cas d'une paroi métallique. Ta section de la paroi peut être différente, par exemple rectangulaire dans le cas où la paroi serait, par exemple, en béton armé. Be réacteur suivant l'invention présente toute une série d' avantages. Be rapport entre les valeurs de la surface de separa- tion ét celles du volume de la chambre d'activation peut aisément être modifié-en donnant une hauteur différente aux parois du reacteur, ce qui n'entratne pas de modifications constructives importantes, les paramètres de circulation, et par suite le fonction nement restant les mêmes.~Ceci permet d'utiliser des constructions semblables pour des eaux à épurer ayant des concentrations différentes. Cette facilité d'adaptation permet un mode de construction optimal pour des réacteurs de différentes capacités.Par exemple, pour de petits réacteurs, de forme cylindrique, il peut être avan tageux de prévoir une construction relativement légère, en élemeSs facilement transportables, pouvant être fabriqués en série et pourvus dès leur fabrication en usine d'une couche d'un enduit protecteur. pn peut donc prévoir une fabrication en série, et des coûts réduits de transport et de montage, d'où résultent des éco nomies sur le prix de revient. Le réacteur, par sa forme, n'exige pas une,surface importante au sol, ce qui est intéressant pour des installations de clarification dsns des usines existantes, où la place est limitée.La facilité de réalisation d'une fermeture de la chambre de fermentation permet l'application du réacteur à des processus de fermentation avec déficience en oxygène, par exemple pour une dénitrificatlon. L'emploi d'une turbine noyée au fond du réacteur permet une aération très efficace, avec un débit en oxygène pouvant aller jusqu'à 4 kg par kilowattZheure consommé, donc avec une faible dépense d'énergie. Eour des eaux usées relatìve- ment concentrées, le taux d'utilisation de l'agent d'oxZdation augmente, et la surface au sol peut être diminuée, grâce à la pos sibilité de surélever le réacteur. Ce facteur élevé d'utilisation de l'agent d'oxydation, associé à la fermeture de la chambre de fermentation, permet 1'emploi en conditions économiques d'un agent d'oxydation relativement cotteux, par exemple l'oxygène con centré . Tous ces avantages se montrent décisifs principalement pour l'épuration des eaux usées relativement concentréesv 1. Réacteur pour traitement biologiaue d'eaux, caractérisé en ce que l'enveloppe du réacteur, formée par une paroi (1) est divisée a sa partie supériellre par une cloison séparatirce in clinée (23 en une chambre (S) de filtration fluide située au dessus de ladite cloison et en une chambre de fermentation (A) au dessous de ladite cloison, la chambre de filtration fluide (F) portant à sa base une entrée (3) présentant une résistance hy draulique et formant, daune part un passage de bas en haut pour l'eau traitée, de la chambre de ferrqentation (A) vers la chambre de filtration fluide ( et d'autre part un passage de haut en bas pour les particules contenues dans la couche fluide présente dans cette chambre (B), avec, au dessous de la cloison sépara trice (2), dans la chambre de fermentatlon (A), un canal redres seur (G) ouvert à ses deux extrémités limité latéralement par une seconde cloison (4) et s'étendant vers le bas au dessous de l'entrée (3) dans la chambre de filtration fluide (F), la chambre de fermentation (h) contenant un dispositif (5) pour la mise en circulation du liquide, de façon à créer dans ledit canal redres seur (G) un coursnt présentant une composante dirigée vers le bas, une canalisation (ó) pour l'amenée d'un agent d'oxydation débouchant dans la zone d'aspiration du dispositif (5). 2. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison séparatrice (2) a sensiblement la forme d'un en tonnoir en position normale, en ce que l'entrée (3) dans la cham bre de filtration fluide (F3 occupe une position centrale, et en ce que ladite seconde cloison (4) limitant le canal redresseur (G) présente également la forte d'un entonnoir, concentrique à la cloison séparatrice (2). 3. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison séparatrice (2) a sensiblement-la forme d'un en tonnoir en position renversée, et en ce que l'entrée (5) dans la chambre de filtration fluide (F) est placée au voisinage de 1' enveloppe (l) du réacteur et est reliée à la partie inférieure du canal redresseur (G) par un conduit de liaison (P) se trouvant au dessous de la chambre de filtration fluide (F), au voisinage de l'enveloppe (1) du réacteur. 4. Réacteur suivant la revenaication 1, caractcrisé en ce que l'on utilise comme dispositif (5) pour la circulation du li quide un système d'agitation exerçant une aspiration dans une direction axiale verticale et une action de projection centrifu- ge dans une direction radiale. 5. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, à llintérieur de la chambre de fermentation (A) sont disposées des cloisons d'impact (7) empêchant le liquide contenu drns cette chambre de prendre un mouvement de rotation autour de l'axe vertical de la paroi du réacteur.