Brevet FR2416200A1 — publié le 19790831

L'invention concerne un appareil pour la purification anaérobie d'eaux usées du type comprenant une cuve dont la portion inférieure forme un compartiment de fermentation au moins une conduite d'alimentation en eau usée (influent) débouchant dans ce compartiment de fermentation, un compartiment de sédimentation ou de décantation placé auXdessus du compartiment de fermentation un trop-plein pour l'eau épurée (effluent) étant monté à l'intérieur ou près du compartiment de décantation, une connexion pour le passage du mélange de boue et d'eau du compartiment de fermentation au compartiment de décantation, cette connexion formant un canal essentiellement vertical ayant un seuil de débordement ou des ouvertures vers le décanteur, une ouverture étant prévue dans le fond ou prés du fond du décanteur pour le retour de la boue déposée au compartiment de fermentation et au moins un moyen daévacuation de gaz formé-dans le compartiment de fermentation. La purification anaérobie ou fermentation méthanée d'eaux usées présente de nombreux avantages par rapport à la purification aérobie. Les avantages les plus importants résident dans la faiblesse de la production de matière cellulaire nouvelle (boue d'évacuation) et dans le fait qu'aucune énergie n'est nécessaire pour l'aération, mais qu'il se produit au contraire un dégagement de méthane qui peut être utilisé pour la production d'énergie. Le liquide ou boue résiduaire peut être conservé pendant plusieurs mois sans montrer de diminution notable d'activité Au cours de ce stockage, la température doit être maintenue en-dessous de 150C, ce qui est important pour les exploitations saisonnières Le procédé de trait ement anaérobie convient spécialement pour des eaux usées concentrées, la boue résiduaire pouvant alors éventuellement être retirée périodiquement.Si l'eau usée est trop diluée, le chauffage, qui peut être nécessaire dans la plupart des cas, exige plus d'énergie que celle qui peut être obtenue par la combustion du méthane formé dans le processus de traitement, le produit bactérien pourrait se trouver dilué de manière excessive, dans le cas de charges hydrauliques Dans ltépuration biologique anaérobie, les matières résiduaires traitées sont principalement converties en dioxyde de carbone et en méthane par l'activité de bactéries Cette conversion se produit par étapes successives Si des substances insolubles à grosses molécules complexes sont présentes dans les eaux usées, ces molécules sont tout d'abord hydrolysées sous l'influence d'enzymes Les bactéries productrices d acides convertissent les substances organiques solides en acides gras inférieurs. avec dégagement de dioxyde de carbone: et- dans certains cas d'hydrogène. Finalement, les acides gras volatils sont convertis en C02 et CH4 par des bacteries anaérobies méthanogènes Il est important que dans la phase de formation d'acides ainsi que dans la phase de formation de méthane un nouveau matériau bactérien se trouve formé La dernière étape- celle de formation de méthane, est la réaction qui détermine la fermentation et qui peut être assez facilement perturbée.Les bactéries méthane gènes possèdent un certain nombre de propriétés qui sont importantes pour l'opération de fermentation et pour le controle de cette opération Les bactéries méthanogènes sont sensibles à la présence d'oxygène libre, tandis que la sensibilité au pH est également grande (le pH peut etre compris entre 5 et 8- de préférence entre 6,7 et 7,3) La vitesse de conversion est fortement dépendante de la température (la température optimale est approximativement de 330C). Un inconvénient réside en ce que les bactéries méthanogènes se développent lentement: de sorte que le démarrage du processus, en l'absence d'une quantité suffisante de boue de bactéries appropriées, demande un temps relativement long et que la reprise du fonctionnement après une perturbation demande également un temps important Pour cette raison il est important de concevoir un appareil pour le traitement d'épuration anaérobie d'eaux usées tel que la boue anaérobiquement active qui apparat en partie en flocons très petits, soit séparée aussi complètement que possible de l'effluent et que la boue collectée dans le compartiment de décantation puisse ëtre ramenée sans accumulationdans le compartiment de fermentation Si l'ef fluent qui quitte appareil contient une quantité excessive de boue anaérobie- la quantité totale de boue dans le système décroit progressivement. de sorte que la capacité d'épuration diminue et meme qu'il peut se produire une acidification et une perturbation de la fermentation méthanogêne Pendant le démarrage de fonctionnement d'un appareil d'épuration anaérobie du type mentionné ci--dessus il est particu lièrement important de limiter au minimum la perte en bactéries actives Dans cette période, une quantité suffisamment grande de matière constituée par des bactéries actives doit etre cultivée et constituée et conservée aussi tot que possible Un processus de formation trop lent conduit à une période de démarrage trop longue.Il faut tenir compte du fait que la boue de bactéries formée consiste, dans une proportion considérable en flocons très petits qui se déposent lentement et qui peuvent être désintégrés par une turbulence 7 causée par exemple par une agitation ou un pompage. De même, après la période de démarrage le flux de sortie de matières bactériennes doit etre limité à un minimum notamment si l'on traite des eaux usées à faible concentration. En outre il est important que le courant d-alimentaX tion du mélange de boue et d'eau et lecourant de retour de la boue déposée ne puissent influer l'un sur l'autre Un courtLcircuit entre ces courants serait nuisible Un tel courtscircuit pourrait se produire par exemple dans une installation d'épuration anaérobie connue du type pour clarification, où la connexion pour 1-alimen- tation en mélange de boue et d'eau du compartiment de décantation, et l'ouverture pour le retour de la boue déposée au compartiment de fermentation, sont formées par une même ouverture centrale dans le fond du décanteur, cette ouverture étant pourvue d'un écran contre le passage de gaz Cette objection à lbégard d une influence mutuelle entre le courant dbalimentation et le courant de retour pourrait être écartée dans une installation d'épuration anaérobie dans laquelle la connexion pour laenvoi du mélange de boue et d'eau au décanteur soit constituée par une conduite séparée s'étendant à l'extérieur de la cuve de l'appareil et sur laquelle est montée une pompe Cependant cette pompe aura.pour effet une désintégration de la boue, de sorte qu'une proportion relativement importante de la boue serait évacuée de l'appareil en meme temps que l'effluent Il en résulterait une absence de controle du processus. Une installation d'épuration dans laquelle aucune pompe n'est prévue sur les conduites séparées pour l envoi du mélange de boue et d'eau au décanteur est connue par la demande de brevet hollandais n0 76 06904 Ces connexions consistent en plusieurs conduites s'étendant en direction inclinée à travers les parois de fond fortement inclinées du compartiment décanteur vers un canal central à l intérieur du décanteur Le retour de la boue déposée se fait par une ouverture centrale avec écran contre l'écoulement vertical de gaz. Cependant ce mode de construction soulève certaines objections. Les tuyaux ne permettent pas un controle de la circula tion d'alimentation du mélange de boue et d eau vers le comparti;- ment de décantation et du retour de la boue déposée Dans le compartiment de décantation, il peut se produire des écoulements en court-circuit ayant une influence défavorable sur l'effet de décantation.Dans ce cas également le compartiment de décantation présentant une légère inclinaison.~ il serait difficile: dans cette construction, et même impossible de monter un dispositif pourtant nécessaire, pour un déplacement par raclage de la boue déposée Une autre réalisation décrite dans la demande de brevet hollandais 76.09 604 est constituée de la manière décrite dans le préambule de cette description La cuve de cette installa tion est de forme oblongue Deux compartiments de sédimentation sont juxtaposés dans la cuve Le long de chaque bord longitudinal des compartiments de sédimentationr s'étend un canal dalimentation pour le mélange de boue et d'eau. Du fait que le seuil de déborde ment des canaux d'alimentation de mélange de boue et d'eau s'étend sur toute la longueur des compartiments de sédimentation. il niest pas possible de réaliser une alimentation uniforme contrôlée du mélange dans les compartiments de sédimentation. Il est prévu dans cette demande de brevet que les ouvertures d'entrée et les ouvertures de retour du compartiment de décantation sont pourvues de tamis s'opposant au passage de bulles de gaz Pour provoquer la circulation du liquide on utilise uniquement le fait que la colonne de liquide entre 1 extrémité in#férieure du canal de connexion vertical pour le mélange de boue et d'eau et l'ouverture de retour de la boue décantée est située davantage a' l'extérieur qu'à l'intérieur du compartiment de décantation. Aucune bulle de gaz ne pénètre à l-intérieur du canal de connexion Le courant de circulation est à faible puissance. ce qui ne favorise pas le contrôle du processus En conséquence de la forme oblongue de l'appareil: il n'est pas possible de procéder au raclage du fond du décanteur au moyen d un-simple mécanisme rotatif. Pour 1-évacuation du gaz formé dans le compas timent de fermentation. des tuyaux sont montés dans des portions situées entre les parties inclinées du fond du décanteur et les parois des canaux verticaux d'aimentation Cet appareil est assez compliqué, ce qui a une influence défavorable sur son prix L'invention a pour but d'éviter les inconvénients des appareils connus mentionnés ci-dessus. et de réaliser un appareil d'épuration anaérobie du type décrit dans le préambule qui soit de construction simple et dans lequel il soit possible de contrôler sans désintégration des flocons de boueS la circulation du mélange de boue et d'eau vers le compartiment de décantation et le retour de la boue vers le compartiment de fermentation sans risque de courtwcircuit entre ces deux courants Dans ce but. l appareil conforme à 1 invention est caractérisé en ce que le canal de connexion vertical pour l'alimentation du décanteur en mélange de boue et d~eau est constitué par un tuyau essentiellement centré par rapport aux parois de la cuve, et dont l extrémité inférieure offre un passage vertical libre pour les bulles de gaz formées dans le compartiment de fermentation, de telle sorte que le mélange de boue et d'eau se trouve propulsé vers l avant dans le tuyau# Le montage en position centrée du tuyau d'alimentation et l'entraînement forcé vers le haut du mélange dans le tube donnent la possibilité d'exercer un controle efficace du processus Le contrôle concerne ltétat de division ou de distribution de la matière ainsi que le débit Le fond du compartiment de sédimenta tion ou décanteur pour être raclé c est-å-dire que la masse de boue déposée peut être déplacée progressivement vers 1 ouverture de retour à l'aide dun simple dispositif de raclage rotatif La dégazéification se produit au-dessus du niveau du liquide dans le décanteur Dans une construction très simple et très compacte l'ouverture pour le retour de la boue déposée est également centrée par rapport aux parois de la cuve et le tuyau s-étend dans cette ouverture de retour Il est possible de capter les gaz formés dans le compartiment de fermentation: au centre~ ce qui est de grande importance dans la pratique Dans ce cas il est préférable que l'ouverture pour le retour de la boue déposée consiste en une fente annulaire entre le bord circonférentiel du fond du décanteur et les parois de la cuve La collection centrale de tous les gaz pourrait également etre réalisée en prévoyant que le fond du compartiment de décantation et le toit du compartiment de fermentation sont inclinés respectivement vers le bas et vers le haut en direction de l'ouverture centrale, et que le tuyau a un diametre supérieur a celui de l::ouverture centrale. le bord inférieur du tuyau se trouvant à une certaine distance aurdessus de l'ouverture centrale Pour éviter que le mélange introduit dans le compartiment de décantation s'écoule directement vers le seuil de détorde; ment de 1'effluent:: une plaque écran est montée entre le seuil de trop-plein ou les ouvertures du tuyau et la gouttière de trop plein Un avantage important de l appareil de l#invention réside en ce qu il offre la possibilité de montage d-une manière simple, des moyens permettant la croissance des particules fines de la boue en flocons plus gros qui peuvent se déposer plus rapidement, de sorte que l'effet de sédimentation est accru En conséquence on propose de monter dans le tuyau vertical ou dans l'espace compris entre ce tuyau et la plaque écran un dispositif de floculation ou de séparation En outre il est préférable de faire en sorte que les particules de boue soient exemptes de bulles de gaz adhérentesdans la pottion supérieure de lsespace compris entre le tuyau vertical et la plaque écran En conséquence. il peut être prévu, à l'intérieur de la plaque écran, des dispositifs tels que les gaz soient exempts de boues par exemple un agitateur pour la couche flottante. Le montage d'un tel organe est facile Un compartiment de décantation dont le fond est fortement incliné vers le bas vers l'ouverture de retour de la boue déposée, présente l'avantage qu n on n n a plus besoin d'un organe racleur de boue Etant donné qu'un tel compartiment de décantation présente une profondeur assez grande. il limite le volume effectif du compartiment de fermentation situé au-dessous- le niveau de hauteur du lit de boue devant se trouver enldessous de l'ouverture de retour de la boue déposée, Plus spécialement. dans des appareils de grandes dimensions: il est préférable que le compartiment de décantation ait une légère inclinaison ou que le fond soit houri zontal. Avec une telle inclinaison légère ou si le fond du compar timent est horizontal. il sera nécessaire pour assurer le retour de la boue déposée, de monter un organe racleur de boue dans le compartiment. Grace a' cet organe râcleur- on peut éviter que la boue reste trop longtemps dans le compartiment de décantation et s'élève en flottant vers le haut Cet inconvénient ne peut pas toujours être évité dans les décanteurs ayant des fonds inclinés sans racleur de boue Le racleur peut être relié à l-écran rotatif mentionné plus haut Dans le cas d'un dispositif ayant un retour central pour la boue déposée: il faut éviter que des gaz contrecarrent en s'élevant le retour de la boue déposées En conséquence. l'ouverture d'entrée du tuyau pourrait s'élargir en forme de cône. Pour régulariser le courant d'alimentation du mélange il peut être utile de monter de manière réglable des moyens contrôlant la résistance à l-écoulement dans le tuyau et/ou dans l'espace compris entre le tuyau et la plaque écran En outrer il est possible de prévoir que le tuyau vertical ou son bord supérieur est aJustable dans le sens vertical Une lame en hélice. à rotation lente peut être prévue pour controler la circulation. La description ci-après se rapporte a' des exemples de réalisation avec référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique d'un appareil d'épuration anaérobique d'eau usée conforme à l'invention - la figure 2 est une vue analogue d'une variante de réalisation, L'appareil destiné à l'épuration anaérobie d eaux usées représenté dans la figure 1 comprend une cuve cylindrique 1 dont la portion inférieure forme le compartiment de fermentation 2. Une conduite 3 débouche dans ce compartiment de fermentation Un compartiment de décantation 4 est monté dans la portion supérieure de la cuve Ce dernier compartiment comprend une paroi cylindrique et un fond 5 incliné vers le bas en direction du centre.Une ouverture 6 est prévue au centre de laquelle s'étend un canal vertical 72 ce canal ayant une entrée élargie en forme de cône 8. Une gouttière de trop-plein 9 est montée adjacente au bord supérieur du compartiment de décantation 4 et est connectée à une conduite ll Une plaque écran 12 est disposée entre le canal vertical 7 et la gouttière 9 Un espace annulaire 13 est formé entre la paroi cylindrique du compartiment 4 et la paroi de la cuve 1. Un dispositif rotatif de raclage de boue 14 est monté sur le fond 5 du compartiment de décantation, Le mode de fonctionnement de l'appareil est le suivant L'eau usée est a' purifier arrive dans le compartiment de fermentation 2 par la conduite 3O Dans ce compartiment. les déchets organiques sont convertis pour la plus grande part en dioxyde de carbone et méthane par l'activité des bactéries. Lesnouvellesbactéries formées constituent une boue à activité anaérobie Les gaz formés au cours du processus s écoulent pour la plus grande part le long du fond incliné 5 du compartiment de décantation vers l'espace annulaire 13c Ils peuvent tertre collectés en haut de cet espacer dans un dispositif récepteur approprié Quand l'eau usée arrive dans le compartiment de fermentation, un volume égal du mélange boue/eau est entraîné hors de ce compartiment Ce mélange évacué au dehors s écoule par le canal vertical 7 par-dessus le bord supérieur dans l'espace annu laire 12 et passe. par son ouverture inférieure ou des ouvertures de l'écran 12 (non représentées)r dans le compartiment de décantation 4. L'écran 12 a pour effet d empêcher que le mélange de boue et d'eau entraîne vers l'extérieur ne puisse s écouler par court-circuit, directement dans la gouttière 9 Dans le compartiment de décantation la boue se sépare de 1-eau- et tombe sur le fond 5, tandis que l'eau épurée s'écoule par le trop plein 9 et est évacuée par la conduite ll La boue déposée sur le fond 5 est poussée par l organe de ra#clage 14 vers l'ouverture centrale La boue séparée redescend par cette ouverture centrale etn en tous cas- par la fente annulaire entre la circonférence de cette ouverture et le canal 7 dans le compartiment de fermentation Grâce à la conicité du canal 7, les gaz qui s'élèvent ne peuvent pas passer. par l'ouverture 6dans le compartiment de décantation. Une certaine quantité de gaz s'élèvent dans le canal vertical 7 de sorte que les bulles poussent le mélange vers le haut, de sorte que la circulation rétablit. comme indiqué par les flèches dans la figure 1 Grâce à cette circulation. le mélange de boue et d'eau est empeché de s'écouler- par l#ouverture 6 du compartiment de fermentation dans le compartiment de décantation dans une direction opposée à celle des flèches Un dispositif floculateur- connu en soi- par exemple un dispositif comprenant des lamelles- ou un floculateur entraîné mécaniquement, ou un séparateur. est monté dans le canal '- ou dans l'espace annulaire compris entre le canal 7 et l::écran 12 Le but de ce floculateur ou séparateur est de faire coaguler les petites particules de boue en flocons plus gros qui peuvent se déposer plus rapidement. Dans la portion supérieure de cet espace. peut être monté un organe destiné à rompre la couche flottante, On peut prévoir dans le canal 7. pour réaliser une régulation ou un contrôle de la circulation, des organes agissant sur l'écoulementr par exemple une lame en hélice tournant lentement Dans la figure 2 les éléments correspondants sont pourvus de références identiques Cet appareil est basé sur le principe qu'un tube 7 est placé au centre de la cuve: l extrémité inférieure de ce tube formant un passage vertical sans obstructions pour les bulles de gaz Au lieu que la boue déposée: retourne par le centre, il est prévu une fente annulaire 6 entre la paroi de la cuve 1 et le bord circonférentiel 6 du fond 5 du compartiment de décantation Ce fond de compartiment est incliné vers le bas du centre vers la circonfér#nce. Des ouvertures 16 pourvues d'un tamis contre les gaz sont prévues dans le tube 7 et le mélange peut s'écouler par ces ouvertures vers le compartiment de décan tation 4. Tout le gaz formé s'écoule par le tube 7 dans son extrémité supérieure et peut être évacué au centre au moyen d'une conduite 17 vers un récepteur de gazo ce qui constitue un avantage pratique par rapport au dispositif de la figure 1 Une telle évacuation centrale complète du gaz pourrait etre obtenue avec un retour central de la boue déposée (figure 1) si le fond du décanteur est incliné vers le bas et vers le centre (comme dans le cas de la figure 1) et si un toit séparé du compartiment de fermentation est incliné vers le haut et vers le centrer ce fond et ce toit pouvant former un corps plus ou moins en forme de dièdre ayant une ouverture en son centrer dont le diamètre serait infé rieur au diamètre du tube 7 Le bord inférieur de ce tube 7 se trouverait alors un peu au-dessus de ce corps en forme de dièdre En outrer il est possible de disposer l'ouverture annulaire 6 de retour de la boue disposée entre le bord circonfé- rentiel du fond 5 et le tube central 7 r le fond du compartiment de décantation étant incliné vers le bas des deux côtés de cette ouverture de retour Dans ce cas une partie des gaz peut etre évacuée par la circonférence# De préférence, le racleur de boue 14 est connecté à un écran ou tamis 12 pouvant être actionné en rotation. En outre. un racleur 18 pour une couche flottante est connectée avec cet écran, ce racleur 18 transportant la boue flottante vers une décharge non représentée Dans ce dispositif, le tube 7 peut comprendre des moyens simples pour contrôler la circulation Il est essentiel pour les différentes réalisations de l'invention que les bulles de gaz doivent être admises dans le tube 7, de façon que ces bulles puissent exercer une action dans le sens ascendant sur le mélange de boue et d'eau La position centrale du tube 7 et de l'écran 12 donnent la possibilité d'un montage très simple du racleur de boue~ R E V E N D I C A T I O N S 10) Appareil pour la purification anérobie d'eaux usées du type comprenant une cuve dont la portion inférieure forme un compartiment de fermentation au moins une conduite d'alimentation en eau usée (influent) débouchant dans ce compartiment de fermentation, un compartiment de sédimentation ou de décantation placé au-dessus du compartiment de fermentation: un trop-plein pour l'eau épurée (effluent étant monté à l'intérieur ou près du compartiment de décantation. une connexion pour le passage du mélange de boue et d'eau du compartiment de fermentation au compartiment de décantation: cette connexion formant un canal essentiellement vertical ayant un seuil de débordement ou des ouvertures vers le décanteur, une ouverture étant prévue dans le fond ou près du fond du décanteur pour le retour de la boue déposée au compartiment de fermentation et au moins un moyen d'évacuation de gaz formé dans le compartiment de fermentation, Appareil caractérisé en ce que le canal de connexion vertical pour le passage de mélange de boue et d'eau vers le compartiment de décantation est réalisé comme un tube (7) essentiellement central par rapport aux parois de la cuve (1)- dont l'extrémité inférieure offre un passage libre pour les bulles de gaz formées dans le compartiment de fermentation de sorte que le mélange de boue et d'eau est poussé vers le haut dans le tube (7). 20) Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'ouverture (6! pour le retour de boue déposée a également une position centrale par rapport aux parois de la cuve (1) le tube (7) passant dans cette ouverture de retour (6) 30) Appareil suivant la revendication 1. caractérisé en ce que l'ouverture (6) pour le retour de boue déposée est une fente annulaire entre le bord circonférentiel du fond r5) du com partiment de décantation et les parois de la cuve (1) 40) Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plaque écran (12) est montée entre le trop-plein ou les ouvertures du tube f 7 ) et la gouttière de trop-plein (9). 50) Appareil suivant l'une quelconque des revendica tions 1 à 4' caractérisé en ce que le floculateur ou séparateur est monté dans le tube vertical (7) ou dans l espace entre le tube vertical (7) et la plaque écran (12) 60) Appareil suivant l-une quelconque des revendica tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'à l5intérieur de la plaque écran, on prévoit des moyens pour libérer le gaz de la boue, sous la forme d'un organe pour rompre la couche flottante 70) Appareil suivant l'une quelconque des revendica tions 1 à 6, caractérisé en ce que le fond du compartiment de décantation (4) est incliné vers le bas en direction de l ouverture (6) de retour de la boue déposée, 80) Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un organe rotatif racleur de boue (14) monté dans le compartiment de décantation (4) 90) Appareil suivant l'une quelconque des revendica-- tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'ouverture (8! d'entrée du tube (7) estélargie en forme de cone 100) Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens réglables montés dans le tube (7), et/ou dans l'espace compris entre le tube (7) et la plaque écran (12). pour permettre un contrôle de la résistance à l'écoulement 110) Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le tube vertical (7) ou son bord supérieur, sont réglables dans le sens vertical