Brevet FR2311758A1 — publié le 19761217

La présente invention concerne un procédé et un appareil destinés à mettre des gaz et des liquides en contact. Elle concerne en particulier un procédé et un appareil pour transférer mécaniquement de l'air ou d'autres gaz comportant de l'oxygène, dans des liquides ou suspensions aqueux. Le procédé et l'appareilvde l'invention peuvent entre utilisés, par exemple, pour procéder, dans un bassin d'aération, à laépuration des eaux usées urbaines et industrielles, par la technique de dégradation biologique utilisant les boues activées. Dans ce qui suit, l'invention sera décrite en se férant à l'aération des eaux usées, mais il doit etre bien entendu que le procédé et l'appareil décrits peuvent être utilisés pour des applications autres que l'addition d'air à l'eau. Les eaux usées chargées de déchets organiques proviennent d'une part des habitations (eaux usées urbaines) et d'autre part de l'industrie (élevage industriel des porcs, abattoirs, laiteries, brasseries, huileries > etc.). Les procédés d'épuration d'eaux usées comprennent généralement plusieurs étapes successives dont le nombre dépend principalement de l'origine des eaux usées et du degré d'épuration souhaité. Pour déterminer le degré de contamination des eaux résiduaires, il existe diverses mesures spécifiques, dont la l'Demande Biochimique d'Oxygène - DB05" qui indique la quantité d'oxygène (en mg/l ou ppvG) consommée en l'espace de jours à 200C pour l'oxydation biochimique des impuretés organiques en présence. On trouvera ci-après quelques exemples de demande biochimique d'oxygène (D305) fumier de porcs : t 30.000 eaux usées urbaines : 360 valeurs légalement autorisées pour les eaux déversdes dans les cours d'eau,en Belgique : 15, 30 cu 50 suivant le cours d'eau. En règle générale, le premier stade de l'épurat on des eaux usées consiste en une séparation plus ou moins poussée entre la phase solide et la phase liquide, au moyen de grilles, tamis, filtres, centrifugeuses, bassins de présédimentation, etc. qui à cette fin peuvent être exploités séparément, successivement ou en combinaison. La phase liquide provenant-de ce prernier stade i'épu- ration des eaux usées, est encore plus ou moins fortement chargée de produits organiques en solution et en suspension. -Cette phase liquide est généralement épurée par un traitement biochimique, en une ou plusieurs étapes, de manière à la transformer en un effluent purifié, conforme aux prescriptions officielles et aux règles de l'hygiène. Le traiteent biochimique des eaux résiduelles est essentiellement un procédé dans lequel des micro-organismes assurent la métabolisation des résidus organiques en produisant des substances gazeuses et solubles, ainsi que des cellules bactériennes supplémentaires. Un des principaux procédés de traitement biochimique des eaux résiduelles actuellement connus, est le procédé aux boues activées. On sait que dans les procédés à boues activées, l'eau résiduelle est mise en contact, dans un récipient de type approprié et avec une amenée simultanée d'oxygène, avec des "boues activées" qu comprennent essentiellement des micro-organises aérobies vivants qui, en présence de l'oxygène dissous, absorbent et assimilent les matières organiques biodégradables, en les transformant pour partie en substance bactérienne et pour partie en substances gazeuses et solubles, principalement C02 oxydes d'azote, composés minéraux et eau. L'aérateur est un bassin où l'eau à traiter est mise en contact, sous aération, avec les boues activées. Lors de l'épuration biologique des eaux usées, en particulier par le procédé des boues activées, la quantité d'oxygène transférée à l'eau, a une importance primordiale, étant don né que le transfert d'oxygène est un des principaux facteurs limitant le rendement du traitement. En effet, une teneur appropriée en oxygène est n- & essa-ire pour que les bactéries aérobies restent en vie et actives et assurent une décomposition rapide et efficace des matières organiques biodégradables se trouvant dans les eaux résiduelles. Pour l'oxygénation des eaux usées, on utilise actuellement une grande variété de moyens. On connaît des installations d'aération dans lesquelles on refoule de l'air dans l'eau pour l'y distribuer ensuite en bulles plus ou moins fines qui cèdent une partie de leur oxygène à l'eau, au cours de leur remontée. On contact aussi des systèmes d'adration submergés, dans lesquels l'air est libéré en dessous des aubes rotatives d'une turbine que divise l'air ascendant en plus petites bulles, tout en répartissant en même temps le mélange de liquide et d'air entrafné dans toute la masse de liquide. On connaît également des systèmes d'aération superficielle dans lesquels des hdlices, pompes ou turbines introduisent de l'air dans lteau en créant une importante turbulence superficielle et une pulverisation de liquide. D'autres systèmes d'aération consistent essentiellement à pomper l'eau au-dessus de la surface du bassin pour la diviser ensuite en plusieurs cascades ou fontaines. Pour que l'eau de ces fontaines soit exposée à l'air aussi longtemps que possible, la hauteur de chute doit autre suffisamment grande,c'està-dire que l'eau doit être élevée à une hauteur suffisante, ce qui nécessite une importante dépense d'énergie. D'autres systèmes encore, font appel à l'aspiration de l'air dans l'admission d'une pompe (principe du venturi), à des roues à aubes, à des brosses tournant autour d'un axe horizontal et plongeant partiellement dans l'eau, etc. La présente invention a pour but de réaliser l'épu- ration d'eaux usées selon le principe des boues activées, mais avec une moindre dépense d'énergie que dans les installations connues à ce Jour. Il est en effet important que les dispositifs aéra- teurs utilisés dans les épurateurs à boue activée, soient capables, à bas prix de revient, de donner la capacité opératoire la plus élevé possible. Pour cela, il importe avant tout que ces dispositifs aérateurs soient à la fois de faible prix de revient, de montage simple, pouvant fonctionner pendant de très longues périodes avec un minimum de surveillance et d'entretien et peu de risque de tomber en panne, tout en ayant la capacité d'oxygénation (quantité d'oxygène introduite par unité d'énergie) la plus élevé possible, de manière à réduire au maximum la con#om;aation d'énergie. Les installations connues ne présentent qu'un rendement médiocre comparativement à l'énergie utilisée pour introduire l'oxygène. Le rendement des meilleurs appareils d'aération utilisés à ce jour (exprimé par l'efficacité du transfert d'oxygène) ne dépasse généralezent par 1,8 à 2,2 kg d'oxygène par KWh. Ce faible rendement s'explique pur une bonne part par le fait que toutes les installations connues exigent l'intervention de forces externes pour mettre en mouvement les eaux résiduaires contenues dans le bassin d'aération. Il faut en effet éviter qu'un précipité ne se forme dans le bassin d'aération, parce que celui-ci perturberait finalement le fonctionnement biologique du bassin. Pour cette raison, le liquide est toujours maintenu en mouvement rapide. Ce mouvement exige toutefois une grande dépense d'énergie, qui est un multiple de celle nécessaire pour admettre l'oxygène dans l'eau. Une autre considération importante intervenant dans un équipement d'aération submergé consiste à prévoir une durée de retenue suffisante des bulles d'air dans la masse de liquide pour que l'oxygène se dissolve dans ce dernier. La présente invention vise dès lors à réaliser l'épu- ration d'eau usée dans un bassin d'aération, selon la méthode des boues activées, avec un équipement d'aération submergé qui consomme moins d'énergie que les équipements analogues connus à ce jour, et qui ne nécessite qu'un montage simple. Le principe de l'invention consiste dans le fait que le liquide contenu dans le bassin d'aération n'est pas maintenu en mouvement rapide pour entraver la précipitation des boues, ce qui réduit de façon substantielle les dépenses d'énergie.Le sédiment qui se forme ainsi est régulièrement remis en suspension et amené jusqu'à une certaine hauteur dans le bassin. Par ailleurs, la présente invention s'est également fixé comme but de réaliser par les dispositifs aérateurs utill- sés, une capacité d'oxygénation la plus élevée possible. Pour ce faire les aérateurs qui sont disposés près du fond du bassin d'aération et qui insufflent de fines bulles d'air dans l'eau à épurer , sont mis en mouvement, parallèlement au fond du bassin, à l'aide d'un bati d'entraînement tel que par exemple un ehassis tournant. Pour empêcher que l'ensemble du contenu du bassin accompagne les aérateurs dans leur mouvement (par exemple dans leur mouvement tournant),ce qui aurait comme résultat que de l'eau se déplace à nouveau dans une direction verticale (mouvement relatif par rapport aux bras du châssis mobile) et que les bulles d'air soient entraînées dans un mouvement ascendant, avec comme conséquence un temps de contact plus court et une plus grande turbulence dans le bassin, le bassin est muni d'un certain nombre de cloisons dont la forme et la disposition sont choisies de façon à freiner au maximum l'écoulement de l'eau, tout en laissant passer le châssis mobile, en maintenant ainsi le contenu du bassin pratiquement immobile.Ceci a pour conséquence une ascension prolongée des bulles d'air, c'est-à-dire une durée de contact prolongée des bulles d'air avec l'eau, ce qui augmente notablement l'efficacité du transfert d'oxygène. En appliquant le procédé de l'invention, on évite que les bulles d'air ne soient entratnées vers le haut par des courants d'eau dirigés verticalement de bas en haut. En effet, Si un aérateur immobile, disposé près du fond d'un bassin, injecte de l'air dans un liquide immobile contenu dans le dit bassin, il se forme évidement au-dessus de cet aérateur une colonne de bulles ascendantes. Coase le poids spécifique de ce mélange d'air et de liquide est inférieur à celui du liquide, le mélange s'élève par rapport au liquide environnant. Comme , de plus, les bulles d'air s'élèvent verticalement par rapport à la colonne de liquide dans laquelle elles baignent, leur mouvement ascensionnel total sera finalement la résultante des deux mouvements ascensionnels dont il a été question Ainsi, une bulle d'air d'un diamètre de 3 mm a une vitesse ascensionnelle d'environ 25 cm/sec, dans de l'eau calme. XPiS Si toute une colonne de bulles d'air s'élève verticalement dans l'eau, ceci provoquera localement un courant d'eau s'élevant verticalement à une vitesse q-ai sera par exemple de 50 cm/sec., par rapport à la surface libre du liquide. Une bulle d'air de 3 mm de dflamètres se trouvant au sein de cette colonne de bulles aura donc une vitesse ascensionnelle d'environ 75 cm/sec. par rapport à la surface libre du liquide. Par contre, si un aérateur mis en mouvement parallèlement au fond d'un bassin, injecte de l'air dans un liquide immobile contenu dans le dit bassin, il ne pourra évidemment pas se former de colonne verticale de bulles. Ainsi, en évitant que les dites bulles d'air ne provoquent un courant d'eau dirigé verticalement de bas en haut, le procédé de l'invention permet de réaliser un long temps de séjour des bulles d'air dans le mélange eau usée-boue activée, tout en évitant une dépense élevée d'énergie. La présente invention a donc pour objet un procédé d'épuration d'eau usée selon lequel , dans un mélange d'eau usée et de boue bactérienne contenu dans Uh bassin aérateur, on insuffle un gaz contenant de l'oxygène, à l'aide d'aérateurs disposés près du fond du bassin aérateur solidaire d'un bâti d'en trainement, et entraînés en un mouvement continu, sous l'action d'une force motrice extérieure; à l'aide de pompes mammouth disposees près du fond du bassin et également solidaires du bâti d'entratnement, on remet régulièrement en suspension et on amène jusqu'à une certaine hauteur dans le bassin, la boue qui se dépose au fond de celui-ci; on freine la circulation du contenu du bassin par un certain nombre de cloisons dont la forme et la disposition dans le bassin sont telles qu'elles ne gênent pas le mouvement des aérateurs, des pompes mammouth et du bati d'en trainement, tout en empêchant que l'ensemble du contenu du bassin accompagne, dans son mouvement, le bâti d'entraînement; et, par une conduite de communication, on fait passer vers un bassin de sédimentation, une fraction de l'eau ayant subi l'aération, une partie de l'eau décantée dans le bassin de sédimentation pouvant etre renvoyée dans le bassin d'aération de façon à régler la teneur en solide du contenu de celui-ci. Selon une forme d'exécution préférée du procédé proposé par la présente invention, une fraction de l'eau décantée dans le bassin de sédimentation est renvoyée dans le bassin d'aération par nfle conduite qui est munie d'une pompe mammouths disposée dans le bassin d'aération, le débit de cette pompe mammouth étant réglé au moyen d'une vanne de régulation sur la conduite à air qui l'alimente. La présente invention a également pour objet une installation pour l'épuration d'eau usée, comportant d'une part un bassin aérateur circulaire ou annulaire, destiné à contenir un mélange d'eau usée et de boue bactérienne, et d'autre part un cassis rotatif entraîné, sous l'action d'une force motrice extérieure, en un mouvement circulaire concentrique à l'axe du bassin d'aération, le dit châssis rotatif, qui est alimenté en air comprimé, soit par l'intermédiaire d'un raccord tournant, soit à l'aide d'un compresseur monté sur le châssis, portant d'une part un certain nombre d'aérateurs disposés près du fond du bas sin, destinés principalement à aérer le mélange eau usée-boue bactérienne, et d'autre part un certain nombre de pores mammouth disposées près du fond du bassin, destinées principalement à remettre en suspension les boues qui se déposent au fond du bassin, et le dit bassin comportant un certain nombre de cloisons dont la forme et la disposition dans le bassin sont telles qu'elles ne gênent pas le mouvement du châssis tournant, tout en empêchant que l'ensemble du contenu du bassin accompagne dans son mouvement, le châssis tournant. Suivant un aspect de l'invention, l'installation pour l'épuration comporte en outre unsbassin de séaimentation relié au bassin d'aération par une conduite de communication permettant de faire passer vers le bassin de sédimentation, une fraction de l'eau ayant subi l'aération dans le bassin d'aération, le dit bassin de sédimentation étant en outre relié au bassin d'aération par une conduite munie d'une pompe mammouth disposée dans le bassin d'aération, qui permet de renvoyer dans le bassin d'aération, une fraction de l'eau décantée dans le bassin de sédimentation, la dite pompe mammouth étant alimentée en air par une conduite munie d'une vanne de régulation. Selon un mode de réalisation particulier de l'installation conforme à l'invention, le bassin d'aération est de forme annulaire et le bassin de sédimentation se trouve au centre du bassin d'aération. Une forme d'exécution de l'invention sera décrite ci-après , à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en plan, d'un dispositif circulaire d'aération faisant partie d'une installation de traitement d'effluents liquides, et la figure 2 est une vue schématique en coupe verticale selon la ligne 2-2 de la figure 1. Comme indiqué aux dessins, l'installation comprend un appareil d'aération comprenant un bassin annulaire 1 contenant par exemple des eaux usées d'origine urbaine ou industrielle. Un châssis 2 portant un certain nombre de bras 3 et 4, tourne dans le bassin. L'ensemble du châssis est alimenté en air comprimé soit par la conduite à air 5, par l'intermédiaire d'un raccord tournant 6,soit par l'intermédiaire d'un compresseur directement monté sur le châssis en rotation. La plupart des bras 3 sont munis d'organes d'aération Le choix de la forme et l'assemblage des organes d'aération dépend de la dimension de l'installation ainsi que de la nature de l'eau souillée. Ces organes d'aération peuvent, par exemple, être faits en une matière poreuse qui laisse diffuser l'air et le répartissent en petites bulles. Un ou quelques uns des bras 4 portent des pompes mammouth. Une pompe mammouth est en principe une conduite verticale immergée dans l'eau. De l'air y est injectée dans la partie inférieure. Du fait que le poids spécifiqu#e du mélange d'air et d'eau est inférieur à celui de l'eau, le mélange s'élève. Le résultat est donc que l'eau est pompée vers le haut. Les orifices d'aspiration des pompes mammouth se trouvent près du fond du bassin d'aéra- tion, de manière à entraîner le sédiment qui peut s'être formé et à le ramener à une certaine hauteur dans le bassin. L'utilisation des pompes mammouth à de telles fins, offre en outre l'avantage qu'elles exercent une certaine aération même si c'est avec un rendement assez médiocre. La vitesse de rotation du châssis mobile 2 est choisie de manière à établir le compromis le plus favorable entre l'énergie nécessaire à cette fin et le rendement d'aération. Pour empecher que l'ensemble du contenu du bassin accompagne dans son mouvement le châssis tournant, et expose ainsi à l'inconvénient~des courants secondaires ascendants et donc d'un supplément d'énergie à dépenser pour l'aération régulière de l'ensemble de la masse dans, le bassin est muni d'un certain nombre de cloisons 7 dont la forme est choisie de façon à freiner au maximum l'écoulement tandis que le châssis mobile peut passer. L'eau contenant les déchets biologiques est amenée dans le bassin d'aération par une conduite 8 , éventuellement après un traitement préalable (lit de sable, dépOt de solides, présédimentation,etc). Une fraction de l'eau ayant subi l'aération passe par une conduite de communication 9 vers le bassin de sédimentation 10. En cas d'une construction annulaire, l'écoulement se fait vers le centre de l'anneau et dans le cas contraire, le bassin de sédimentation est d'une construction distincte. Afin d'empecher que cette eau riche en air provoque des remous dans le bassin de sédimentation, elle est envoyée dans une partie plus ou moins isolée.Celle-ci peut par exemple être constituée par un tuyau cylindrique vertical 11, dont l'ouverture supérieure est disposée à une faible distance en-dessous du niveau du liquide se trouvant dans le bassin de sédimentation; une ouverture suffisante est également prévue à la partie inférieure du tuyau , pour que l'eau et la boue puissent aussi s'écouler aisément par en dessous. Afin de pouvoir régler la teneur en solides du bassin d'aération 1, une fraction de l'eau est soutirée du bassin de sédimentation 10 par une conduite 12 munie d'une pompe mammouth 13 provoquant ici également un apport d'air. Le débit est facile à régler au moyen d'une vanne de régulation 14 montée sur la conduite à air 5. L'eau épurée sort du circuit par des trop-plein 15 et une conduite 16 pour être évacuée ou soumise à de nouveaux traitements. Les boues qui se déposent au fond du bassin de sédimentation, sont soutirées par une conduite 17. Un grand avantage du procédé conforme à l'invention, est le rendement très élevé de l'apport d'oxygène, qui est de l'ordre de 3 kg d'oxygène par nh (énergie totale, y compris celle nécessaire au mouvement) alors que les meilleurs systèmes classiques conduisent à un rendement de 1,8 à 2,2 kg d'oxygène par KWh. Ceci constitue évidemment une économie importante d'énergie et donc une économie importante dans les frais d'exploitation de la station d'épuration. L'économie réalisée grâce aux installations d'aération conformes à la présente invention,est illustrée par l'exemple chiffré suivant. A. Une installation d'épuration d'eaux usées d'une capacité de 20.000 équivalents-habitants (ce qui correspond à 1080 kg DBO par jour) nécessite 1080 x 2 = 2160 kg 02/jour (2 kg 02 sont nécessaires par kg de DBO) Si cette installation d'épuration est une installation de type classique ayant-un rendement d'oxygénation de 2.1 kg 02PKWh, la consommation d'énergie est de 1029 KWh par jour ou de 375.429 KWh/an. B. Une installation d'épuration d'eaux, conforme à la présente invention, d'une capacité de 20.000 équivalents-habi tants, ayant un rendement d'oxygénation de 3 kg 02ZK7. a une consommation d'énergie da 720 KWh/par jour ou de 262.800 KWh/an. Ceci représente donc une économie annuelle d'éner gie de 112.629 Klh, par comparaison avec l'installation de type classique. Un autre avantage important des installations d'aération conformes à la présente invention, est constitué par le fait qu'elles sont robustes et de montage simple. Contrairement à beaucoup d'installations d'aération connues à ce jour, les installations conformes à l'invention, ne comportent pas d'éléments mécaniques tels que turbines, hélices, brosses rotatives, etc., qui sont susceptibles de tomber en panne et dont les frais d'installation, d'entretien et de réparation sont élevés. En fait, la totalité ou la quasi-totalité de l'énergie nécessaire au bon fonctionnement de l'installation, y est amenée sous forme d'air comprimé , à savoir pour les aérateurs, les pompes mammouth qui servent à la remise en suspension des boues dans le bassin d'aération et également la pompe mammouth qui renvoie une fraction de l'eau du bassin de sédimentation vers le bassin ##d'aération. Selon une forme d'exécution conforme à la présente invention, le châssis rotatif peut également être mis en mouvement à l'aide de la force motrice produite par l'air comprimé . Les moteurs pneumatiques et mécanismes pneumatiques qui peuvent être utilisés dans ce but, sont connus et ne font pas partie comne tels de la présente invention. Dans d'autres formes d'exécution de la présente inventions le châssis rotatif peut cependant également autre mis en mouvement par d'autres moyens: moteurs électriques, etc. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à la forme d'exécution qui-a été décrite et représentée à titre d'exemple et on ne sortirait pas de son cadre en y apportant des modifications. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'épuration d'eau usée selon lequel un gaz contenant de l'oxygène est insufflé à l'aide d'aérateurs dans un mélange d'eau usée et de boue bactérienne contenu dans un bassin aérateur, caractérisé en ce que, sous l'action d'une force motrice extérieure, on entraîne en un mouvement continu, les dits aérateurs disposés près du fond du bassin aérateur et solidaires d'un bâti d'entraînement; à l'aide de pompes mammouth disposées près du fond du bassin et également solidaires du bâti d'entraSnement, on remet régulièrement en suspension et on amène jusqu'a une certaine hauteur dans le bassin, la boue qui se dépose au fond de celui-ci, on freine la circulation du contenu du bassin par un certain nombre de cloisons dont la forme et la disposition dans le bassin sont telles qu'elles ne gênent pas le mouvement des aérateurs, des pompes mammouth et du bâti d'entraînement, tout en empêchant que l'ensemble du contenu du bassin accompagne, dans son mouvement, le bâti d'entratnement;; et, par une conduite de communication,on fait passer vers un bassin de sédimentation,une fraction de l'eau ayant subi l'aération, une fraction de l'eau décantée dans le bassin de sédimentation pouvant être renvoyée dans le bassin d'aération de façon à régler la teneur en solides du contenu de celui-ci. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une fraction de l'eau décantée dans le bassin de sédimentation est renvoyée dans le bassin d'aération par une conduite munie d'une pompe mammouth disposée dans le bassin d'aération, le débit de cette pompe mammouth étant réglée au moyen d'une vanne de régulation sur la conduite à air qui l'alimente. 3.- Installation pour réaliser le procédé conforme à la revendication 1, comportant d'une part un bassin aérateur circulaire ou annulaire, destiné à contenir un mélange d'eau usée et de boue bactérienne, et d'autre part un châssis rotatif entrat- né, sous l'action d'une force motrice extérieure, en un mouvement circulaire concentrique à l'axe du bassin d'aération,caractéri- séeen ce que le dit châssis rotatif qui est alimenté en air comprimé soit par l'intermédiaire d'un raccord tournant, soit à l'aide d'un compresseur monté sur le châssis, porte d'une part un certain nombre d'aérateurs disposés près du fond du bassin, destinés principalement à aérer le mélange eau usée-boue bactérienne, et d'autre part un certain nombre de pompes mammouth disposées près du fond du bassin, destinées principalement à remettre en suspension les boues qui se déposent au fond du bassin ;le dit bassin comeor- tant un certain nombre de cloisons dont la forme et la disposition dans le bassin sont telles qu'elles ne gênent pas le mouvement du châssis tournant, tout en empêchant que l'ensemble du contenu du bassin accompagne dans son mouvement le châssis tournant. i.- Installation selon la revendication 3, comportant en outre un bassin de sédimentation relié au bassin d'aération à l'aide d'une conduite de communication permettant de faire passer vers le bassin de sédlientation, une fraction de l'eau ayant subi l'aération dans le bassin d'aération, caractériséeen ce que le dit bassin de sédimentation est également relié au bassin d'aération par une conduite munie d'une pompe mammouth disposée dans le bassin d'aération, qui permet de renvoyer dans le bassin d'aération, une fraction de l'eau décantée dans le bassin de sédimentation, la dite pompe mammouth étant alimentée en air par une conduite munie d'une vanne de régulation. 5. - Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le bassin d'aération est de forme annulaire, le bassin de sédimentation se trouvant au centre du bassin d'aération.