Brevet FR2459206A1 — publié le 19810109

L'invention concerne un p mcédé de traitement anaérobie d'eaux usées, dans lequel les eaux usées sont guidées, avec les corps solides qu'elles contiennent, du bas vers le haut, à travers un lit fixe contenant des bactéries, à une température supérieure à la température ambiante, les eaux usées, après un temps de séjour suffisant dans le lit fixe pour la putréfaction, sont remplacées avec les corps solides putréfiés à la partie supérieure du lit fixe par introduction de nouvelles eaux usées à la partie inférieure, et le mélange eaux usées - corps solides prétraité et le gaz de curage qu'il contient séparés les uns des autres au-dessus du lit fixe sont extraits en continu. La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le procédé de traitement précédent est connu par le brevet allemand n0 2531598. Le traitement anaérobie est ici effectué dans un réacteur à lit fixe dans lequel est disposé du charbon, du coke, du laitier, des pierres poreuses, par exemple de la pierre ponce ou de la céramique, en tant que support pour les bactéries anaérobies. Le traite- ment est effectué à des températures comprises entre 10 et 40'C, de pré- férence entre 20 et 30C, et on indique un temps de traitement de 10 minutes à 10 heures, de préférence de 0,5 à 3 heures. Ce procédé connu est primitivement orienté seulement vers la putréfaction des eaux usées, sans que le gaz de curage contenu à titre de sous-produit ait reçu une grande signification. La présente invention vise en conséquence à perfectionner ce procédé connu de telle manière que la masse de gaz de curage qui peut être obtenue soit augmentéepar un procédé le plus économe d'énergie possible. Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce au fait que les eaux usées sont préchauffées et les corps solides qu'elles con- tiennent sont broyés et homogénéisés, les eaux usées sont soumises au traitement anaérobie dans un lit fixe de sable à une température supéri- eure à 40'C et les nouvelles eaux usées amenées sont préchauffées par le mélange eaux usées - corps solides extrait au-dessus du lit fixe de sable. Les caractéristiques essentielles du procédé selon l'invention résident en un traitement thermophile à une température de traitement supérieure à 400C, de préférence comprise entre 50 et 550C, qui amène, par rapport au traitement mésophile conduit à des températures de 28 à 350C, un rendement en gaz de curage plus élevé d'environ 80%, ainsi qu' en l'exécution du traitement anaérobie dans un lit fixe de sable, la couche de sable permettant, grâce à un coefficient de transmission de chaleur élevé, un écoulement de chaleur uniforme, qui protège la flore bactérienne des variations de température supérieures à - 0,50C. Une condition liée à la faible durée du traitement est le broyage et 1' homogénéisation des corps solides contenus dans les eaux usées, ainsi que leur préchauffage qui se produit conformément à l'invention de manière économique en énergie par transmission de la chaleur du mélange putréfié eaux usées - corps solides. La masse plus importante de gaz de curage ainsi gagnée peut être utilisée pour le chauffage ou comme source d'énergie pour des moteurs. Pour obtenir une augmentation supplémentaire du rendement en gaz de curage, selon une forme de mise en oeuvre préférée du procédé selon l'invention, on peut prévoir d'ajouter aux eaux usées, avant le broyage et l'homogénéisation des corps solides qu'elles contiennent, des déchets organiques. Les déchets organiques, qui peuvent être ajoutés aux eaux usées, comprennent en particulier des herbes, des feuilles, de la paille, des déchets agricoles et des déchets d'abattoir. Ces déchets organiques sont broyés en même temps que les corps solides déjà contenus dans les eaux usées et répartis de manière homogène dans les eaux usées en tendant à une dimension de particules inférieure à Imm. Dans le cas d'un épaississement trop important des eaux usées par des déchets organiques ajoutés, on-peut les mélanger à de l'eau. fraîche ou industrielle, pour rétablir la fluidité nécessaire au traitement anaéro- bie dans le lit fixe de sable. Les déchets organiques ajoutés aux eaux usées constituent une nourriture pour les bactéries anaérobies. Le gaz de curage produit par la désagrégation des déchets organiques par les bactéries anaérobies augmente la masse de gaz de curage produite par la putréfaction habitu- elle de la boue d'eaux usées. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre soit à cycles fixes, soit en continu. Dans le cas d'un fonctionnement à cycles fixes, les nouvelles eaux usées, le cas échéant additionnées de déchets organiques, s'écoulent dans un échangeur de chaleur o elles sont préchauffées par transmission de la chaleur provenant du mélange eaux usées - corps solides déjà putréfié. Les eaux usées sont par exemple transvasées par une pompe à engrenages, qui broye les corps solides et les déchets organiques contenus dans les eaux usées et les répartit de manière homogène dans les eaux usées, à travers l'échangeur de chaleur jusqu'à ce qu'on obtienne un préchauffage, un broyage et une homogénéisation suffisants. Les eaux usées préchauffées sont en- suite envoyées dats le lit fixe de sable dont le volume augmente d'en- viron 30%, de sorte qu'un volume correspondant de boue putréfiée, de liquide surnatant et de chapeau se trouvant à la partie supérieure du récipient de traitement est poussé dans une centrifugeuse. La centrifugeuse sépare la boue putréfiée et le liquide surnatant du gaz de curage qui est évacué séparément. Les nouvelles eaux usées qui sont introduites dans le récipient de traitement sont peu à peu putréfiées par les bactéries qui adhérent aux grains de sable du lit fixe de sable. Après achèvement du processus de putréfaction, on interrompt le tour- billonnement du sable dans le bioréacteur et il se produit spontanément, à l'état de repos, du fait des poids spécifiques divers, une disposition par couches. La couche supérieure est constituée par le chapeau (mousse gazeuse et matériaux légers avec petites bulles gazeuses adhérentes); en-dessous se trouve le liquide surnatant dans lequel le processus bio- logique ne progresse plus; en-dessous se trouve ce qu'on appelle la boue mince,et une boue putréfiée concentrée plus ancienne se trouve directement sur le lit fixe et est utilisée pour l'inoculation et le mélange des nouvelles eaux usées introduites. Lors de l'amenée de nouvelles eaux usées, le chapeau supérieur, après séparation en gaz de curage et mélange eaux usées - corps solides, est extrait du réacteur et les eaux usées nouvellement amenées sont mélangées à la boue putré- fiée concentrée plus ancienne qui repose sur le lit fixe par le tour- billonnement du lit fixe de sable. Une couche tourbillonnaire de sable possède l'avantage, par rapport au charbon, au laitier, aux pierres poreuses ou à la céramique qui sont connus par le brevet allemand n0 2531598, que le tourbillonnement est beaucoup plus intensif et que le frottement à l'intérieur de la couche tourbillonnaire favorise la montée des bulles de gaz. Celà est particulièrement vrai pour le gaz qui se forme dans le lit de sable pendant le temps de repos. La production de gaz est la plus importante peu après le début du processus mais ne s'arrête pas pendant le repos. Le broyage et l'homogénéisation des corps solides et, le cas échéant, des déchets organiques dans les eaux usées ainsi que leur pré- chauffage, en liaison avec la température de traitement plus élevée, amène un rendement nettement supérieur en gaz de curage par rapport à ce qui était possible jusqu'à présent avec le procédé connu. Pour des températures comprises entre 50 et 550C, l'activité des bactéries est la plus forte tandis qu'elles rencontrent des conditions de vie optimales. Pour une température de traitement supérieure à 550C, la production de gaz s'arrête presque. Selon une forme de mise en oeuvre avantageuse du procédé selon l'invention, on peut effectuer l'amenée de boue neuve non encore putréfiée dans le lit fixe de sable, ainsi que l'extraction séparée de la boue putréfiée, du liquide surnatant et du gaz de curage également en continu. Celà produit une circulation du contenu du récipient de traitement par un conduit à bypass depuis sa partie supérieure jusqu'à la pompe, de sorte que des eaux usées nouvellement amenées sont mélangées et repompées en continu dans la partie inférieure du récipient de traitement. La matière putréfiée surnageante est comprimée dans la centrifugeuse par les eaux usées nouvellement amenées en permanence pour être séparée en mélange putréfié eaux usées - corps solides et gaz de curage. Un dispositif adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprenant un récipient de traitement pouvant être chauffé dans lequel se trouve un lit fixe contenant des bactéries et comportant à sa partie supérieure un conduit de sortie du gaz de curage produit pendant le traitement et un conduit de sortie séparé pour le mélange putréfié eaux usées - corps solides,e7caractérisé par le fait qu'il com- prend un échangeur de chaleur avec des dérivations pour l'amenée et l'évacuation d'eaux usées neuves non encore putréfiées, et avec un passage séparé pour le mélange putréfié eaux usées - corps solides dont l'écoule- ment conduit à un broyeur-homogénéisateur qui est relié à la partie infé- rieure du récipient de traitement muni d'un lit fixe de sable. Pour permettre une traversée multiple des eaux usées pour le broyage et l'homogénéisation des corps solides qu'elles contiennent ainsi qu'un préchauffage suffisant, une forme de réalisation préférée du dis- positif selon l'invention prévoit qu'un conduit à bypass va du broyeur- homogénéisateur à la partie supérieure de l'échangeur de chaleur. Un chauffe-eau instantané peut être intercalé dans le conduit à bypass qui produit un préchauffage supplémentaire des eaux usées. De plus, un conduit à bypass peut conduire de la partie supéri- eure du récipient de traitement à sa partie inférieure qui permet une circulation du contenu du récipient de traitement. De préférence, une centrifugeuse à plateau est disposée dans la partie supérieure du récipient de traitement pour la séparation du mélange putréfié eaux usées - corps solides et du gaz de curage. On a représenté à la figure unique du dessin annexé un disposi- tif selon un exemple de réalisation de l'invention. Des eaux usées neuves, le cas échéant chargées de déchets organiques, s'écoulent par l'entrée I dans l'échangeur de chaleur 2. Les eaux usées recueillent dans l'échangeur de chaleur 2 la chaleur de la boue putréfiée d'eaux usées qui s'écoule par le conduit 3 depuis la partie supérieure du récipient de traitement 4 jusqu'à l'échangeur de chaleur 2 et traversent celui-ci par une chambre séparée ou un serpen- tin 5, sans se mélanger aux eaux usées nouvellement amenées, mais sont au contraire évacuées de l'échangeur de chaleur 2 par un conduit 6 après transmission de leur chaleur. A la partie inférieure de l'échangeur de chaleur 2, un conduit 7 mène à une pompe à engrenages 8 dans laquelle les corps solides et, le cas échéant, les déchets organiques sont broyés et répartis de manière homogène dans les eaux usées. Les eaux usées peuvent circuler depuis la pompe 8 plusieurs fois dans l'échangeur de chaleur 2 grâce à un conduit à bypass 9 dans lequel peut 9tre intercalé un chauffe-eau instantané 10 pour une amenée de chaleur supplémentaire, jusqu'à ce qu'on atteigne un broyage, une homogénéisation et un préchauffage suf- fisants des eaux usées. Les eaux usées homogénéisées et préchauffées sont amenées ensuite par un conduit I1 à la partie inférieure du réci- pient de traitement 4 qui est munie d'une chemise de chauffage 12. Les eaux usées s'écoulent par un fond de souflage poreux ou troué 13 à travers une couche de sable reposant sur celui-ci et contenant des bactéries anaérobies. La hauteur du lit de sable est déterminée selon le contenu du récipient de traitement 4 et/ou la vitesse d'écoulement de la pompe 8. Lors du dépassement de la vitesse d'écoulement critique, le lit de sable est mis en tourbillons et forme un lit fixe de sable 14, le brassage par passage étant maintenu pendant 15 à 20 minutes. Pendant ce temps se produit la réaction biologique des bactéries anaérobies, qui adhèrent à la surface des grains de sable individuels, avec les eaux usées amenées par pompage. L'épaisseur du lit de sable et la granulométrie des grains de sable déterminent la grandeur de la surface réactive. Les éléments plus gros des corps solides dans l'eau sont retenus dans la partie inférieure du lit fixe de sable 14. Les petites bulles de gaz ont une sortie libre vers la face supérieure grâce au tourbillonnement. Pendant et après la phase de putréfaction,des colloïdes émulsionnés se forment par la liaison des petites bulles de gaz avec la boue putréfiée d'eaux usées et se déposent sous forme d'un chapeau 15 à la surface de l'eau qui se trouve au-dessus du lit fixe de sable 14. Une centrifugeuse à plateau 16 est disposée dans la partie supérieure du récipient de traitement 4 et, au début du tourbillonnement du lit fixe de sable 14, le chapeau 15, le liquide surnatant et la boue mince sont poussés dans cette centrifugeuse 16. Celle-ci sépare le gaz de curage. La boue putréfiée est amenée par le conduit 3 à l'échangeur de chaleur 2 et le gaz de curage quitte le récipient 4 par le conduit 17 et arrive à un récipient 18 duquel il est amené, par l'intermédiaire d'un compresseur 19, dans un réservoir sous pression 20 o il est stocké. On obtient de cette manière 35.000 litres de gaz de curage à partir de 50 kg de déchets organiques séchés. Du fait que la teneur moyenne en CH4 du gaz de curage est de 60%, I Nm3 de gaz possède une capacité calorifique d'environ 6000 kcal. On obtient ainsi à partir de kg de déchets organiques environ 210.000 kcal par jour, dont seulement environ 8.500 kcal sont nécessaires pour les besoins de chaleur ou pour la compensation des perte de chaleur du processus. Un récipient de traitement ayant un volume de I à 2 Nm3 suffit pour la production de 50 kg de déchets organiques pour couvrir les besoins de chaleur d'une maison. Le gaz de curage peut, après désulfura- tion, aussi bien être utilisé pour l'alimentation d'un moteur à gaz avec pompe à chaleur. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement anaérobie d'eaux usées, dans le- quel les eaux usées sont guidées, avec les corps solides qu'elles contiennent, du bas vers le haut, à travers un lit fixe contenant des bactéries, à une température supérieure à la température ambiante, les eaux usées, après un temps de séjour suffisant dans le lit fixe pour la putréfaction, sont remplacées avec les corps solides putréfiés à la partie supérieure du lit fixe par introduction de nouvelles eaux usées à la partie inférieure, et le mélange eaux usées - corps solides pré- traité et le gaz de curage qu'il contient séparés les uns des autres audessus du lit fixe sont extraits en continu, procédé caractérisé par le fait que les eaux usées sont préchauffées et les corps solides qu'elles contiennent sont broyés et homogénéisés, les eaux usées sont soumises au traitement anaérobie dans un lit fixe de sable à une température supérieure à 40'C et les nouvelles eaux usées amenées sont préchauffées par le mélange eaux usées - corps solides extrait au-dessus du lit fixe de sable. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on ajoute aux eaux usées, avant le broyage et l'homogénéisation des corps solides qu'elles contiennent, des déchets organiques. 3. Procédé selon l'une des revendications I et 2, dans lequel le traitement anaérobie est mis en oeuvre à une température comprise entre 50 et 550C. 4. Procédé selon l'une des revendications I à 3, dans lequel on effectue l'amenée de boue neuve non encore putréfiée dans le lit fixe de sable, ainsi que l'extraction séparée de la boue putréfiée, du liquide surnatant et du gaz de curage en continu. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant un récipient de traitement pouvant être chauffé dans lequel se trouve un lit fixe contenant des bactéries et comportant à sa partie supérieure un conduit de sortie du gaz de curage produit pendant le traitement et un conduit de sortie séparé pour le mélange putréfié eaux usées - corps solides, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur de chaleur (2) avec des dérivations pour l'amenée et l'évacuation d'eaux usées neuves non encore putréfiées et avec un passage séparé pour le mélange putréfié eaux usées - corps solides dont l'écoulement conduit à un broyeur-homogénéirsateur qui est relié à la partie inférieure du récipient de traitement (4) muni d'un lit fixe de sable (14). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel un fond de soufflage poreux ou troué (13) est disposé dans la partie inférieure du récipient de traitement (4), le lit fixe de sable (14) muni de bacté- ries se trouve au-dessus du fond (13) et l'arrivée d'eaux usées pré- chauffées se trouve sous le fond (13). 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel le broyeur-homogénéisateur est constitué par une pompe à engrenages (8). 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel un conduit à bypass (9) va du broyeur-homogénéisateur à la partie supérieure de l'échangeur de chaleur (2). 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel un chauffe-eau instantane491st intercalé dans le conduit à bypass(10). 10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel un conduit à bypass conduit de la partie supérieure du récipient de traitemenm4a sa partie inférieure qui permet une circulation du contenu du récipient de traitement (4). Il. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 10, dans lequel une centrifugeuse à plateau (16) est disposée dans la partie supérieure du récipient de traitement (4) pour la séparation du mélange putréfié eaux usées - corps solides et du gaz de curage. oA