Brevet FR2451894A1 — publié le 19801017

La présente invention concerne un bassin d'aération perfectionné des tiné à ltépuration, au moyen de boues activées, d'eaux polluées urbaines ou industrielle s. Le procédé dtépuration biologique par boues activées comprend une phase demise en contact de Liteau polluée avecla flore bactérienne dans un bassin dit d'aération et une phase de clarification permettant de séparer la flore bactérienne ( boue activée) de lreau interstitielle ( eau épurée?, dans un bassin de clarification qui, généralement, est un décanteur appelé 'tdécanteur secondaire". On maintient une concentration suffisante en micro organismes dans le bassin draération en recyclant dans celui-ci les boues prélevées au fond du décanteur.Une partie des boues formées par l'activité des microorganismes et ltadsorption de la pollution organique est évacuée périodiquement du système sous forme de boues en excès. La forme du bassin d'aération, sa conception et les moyens pour assurer ltoxygénation et le brassage de la liqueur activée peuvent être très divers et faire appel aux technologies les plus variées. Une disposition intéressante consiste à réaliser le bassin d'aération, qui est le réacteur biologique, sous forme d'une boucle fermée dans laquelle la liqueur de boues activées est amenée à circuler sous une vitesse importante, de faucon à la faire tourner sur elle-même. I1 est ainsi possible de réaliser un dispositif d'épuration proche de celui dénommé "mélange intégral" dans lequel la teneur en matières sèches de la liqueur et la concentration en pollution (représentée par la DBOS, le COT, etc. . ) de l'eau interstitielle sont constantes 5 dans tout le réacteur. Dans la plupart des bassins connus de ce type, les dispositifs assurant la circulation de la liqueur à ltintérieur de la boucle constituant le réacteur biologique sont les mêmes que ceux assurant ltoxygénation de cette liqueur de boues activées. On peut, pour celà, utiliser soit un ou plusieurs aérateurs de surface à axe vertical tels que des turbines d'aération, soit un ou plusieurs aérateurs à axe horizontal tels que des brosses d'aération ou des vis aératrices. Les installations ainsi réalisées sont relativement simples, mais présentent en particulier un défaut important lié au fait quele même organe assure à la fois, dtune part, la circulation (et le maintien en suspension) de la liqueur et, d'autre part, son oxygénation. Cette double fonction entraîne les inconvénients suivants: 1 - En cas de faible apport de pollution (en particulier sur les stations dtépuration urbaines pendant les heures creuses ou lorsque les raccordements au réseau ne sont encore que très partiellement réalisés), le fonctionnement du dispositif d'aération (en durée et/ou fréquence) est commandé non par la demande en oxygène de la liqueur de boues activées (qui est alors relativement faible) mais par les exigences de brassage et recirculation. En effet, il faut éviter la formation de dépôts dans le bassin et assurer le mélange de l'eau à traiter avec les boues activées. Le rapport énergie consommée , exprimé par exemple en kWh/kg de pollution exprimé DBO5, croit ainsi énormément durant les heures creuses correspondant aux périodes nocturnes de faible activité de la population. Ce défaut est particulièrement sensible sur des bassins longs de faible hauteur où la mise en mouvement de la masse liquide est longue, par suite de phénomènes d'inertie, et où la zone dtinfluence de lxaérateur est reIativement réduite par rapport à la surface totale. 2 - La mise en mouvement de la masse liquide, dansle bassin en forme de boucle fermée, doit être telle que le débit horizontal traversant toute la section transversale dtune des branches de la boucle soit élevé et corresponde à une vitesee horizontale suffisante (en tout point supérieure à Q, 30 m/s environ), pour éviter la formation de dépôts permanents sur le radier et les parois du bassin, qui réduiraient la masse bactérienne disponible ainsi que le volume utile du bassin et seraient ltorigine de fermentations anaérobies conduisant à la dégradation du processus épuratoire.La puissance nécessaire pour assurer cette circulation à lIintérieur du bassin correspond au pompage (interne) d'un grand débit d'eau sous une pressiontrès faible (de quelques millimètres ou de quelques dixièmes de millimètre de colonne d'eau) correspondant aux pertes de charge du débit de circulation interne sur toute la longueur développée du bassin. De telles caractéristiques de pompage sont obtenues - comme on le sait par des organes présentant des pales de grande surface et de faibles vitesses de rotation (deltordre du, ou inférieures au, m/s. ). Par contre, les aérateurs mécaniques de surface, qu'ils soient à axe horizontal ou vertical, présentent les meilleures caractéristiques dXoxygéna- tion pour des vitesses périphériques comprises de préférence entre 3 et 5 m/s, Unaérateur mécanique efficace surle plan de l'oxygénation ltest donc moins sur celui du pompage. Cela n'a d'ailleurs riende surprenant du fait qu'une bonne oxygénation nécessite une di spersion turbulente et une division des filets liquides, pour favoriser la mise en contacteau-air, alors que le rendement optimal d'unorgane de pompage, au contraire, est obtenu lorsque ltécoulement est le plus uniforme et le plus constant possible sans décollement et sans zone tourbillonnaire. Onconnaît des bassins d'aération danslesquels les systèmes-d'oxygéna- tion et de circulation sont dissocies:la circulation à l'intérieur du bassin est assurée par une ou plusieurs hélices à-axe horizontal disposées parallèlement à l'axe du bassin et l'oxygénation par des diffuseurs poreux disposés au fond du bassin en avant de ces hélices, les bulles gazeuses s'élevant ainsi en diagonale dans le bassin. Cependant, dans ces systèmes connus, les hélices sont totalement immergées et nécessitent, pour tourner àvitesse suffisamment lente, des organes tels que des réducteurs également immergés et donc d'un entretien délicat.En outre, ces systèmes sont mal adaptés à la dénitrification de Liteau, qui-n'y est obtenue que par la marcheintermittente de l'oxygénation de façon à créer des périodes d'anoxie: dans ces conditions de marche inter- mittente, les diffuseurs poreux se colmatent rapidement. Les injections intermittentes d'air provoquentdes variations cycliques du plan d'eau dans le bassin qui peuvent avoir des conséquences néfastes sur le fonctionnement du clarificateur. La présente invention permet de remédier à ce s inconvénients. Le bassin d'aération suivant l'invention, constitué par une enceinte rectangulaire comportant un cloisonnement interne co-axial au grand axe de ltenceinte et formant une boucle fermée, ladite enceinte étant munie d'au moins un système assurant la circulation de la liqueur activée et d'au moins un système, indépendant du précédent, d'oxygénation de Liteau, est caractérisé en ce qu'il comporte comme système assurant la circulation de la liqueur activée, un rotor muni de pales et dont l'axe horizontal est disposé perpendiculairement au cloisonnement interne du bassin, ainsi que des systèmes d'oxygénation disposés enplusieurs points du bassin, l'ensemble assurant sous aération continue une nitrification-dénitrification de Liteau à traiter. Depréférence, l'axe du rotor est disposé au-dessus du niveau atteint par la liqueur dans le bassin. Le rotor du système de circulation est animé d'une vitesse périphérique comprise entre 0, 5 et 3 m/s: il est entrainé à faible vitesse par un moteur électrique par exemple, accouplé à un réducteur de vitesse etéventuellement à un variateur de vitesse. On obtient ainsi un bon rendement énergétique du système de circulation, ce dernier constituant un organe de pompage sous une très faible hauteur manométrique. Le rotor du système de circulation estmuni dtune pluralité de pales ouvertes de grande surface, et présente de préférence de six à trente pales, radiales, coudées ou courbes, à large espacement, dtaumoins 5 cmà leur perlpherle. Le courant horizontal assuré par le système de circulation permet dXaugmenter le temps de parcours des bulles émises par les diffuseurs dSair, dans la masse liquide. Dans le cas dtune diffusiondSair sous 3 m d'eau, le rendement d'oxygénation est ainsi accru de 30 %. Lebassin dtaération suivant la présente invention estparticulièrement bien adapté à la nitrification-dénitrification des eaux usées, et ceci sous aéra- tion continue. Les diffuseurs d'air étant répartis tout au long de la boucle formée à ltintérieur du bassin, il se constitue dans ce dernier une succession ininterrompue de zones, les unes aérobies au voisinage des diffuseurs d'air, dans lesquelles l'oxydation peut aller jusqu'à la formation de nitrates, les autres, anaérobies entre les diffuseurs d'air, dans lesquelles la respiration bactérienne endogène permet la réduction des nitrates et le dégagementd'azote gazeux.L'aération étant continue, le clarificateur reçoit une liqueur toujours fortement oxygénée, prélevée à proximité d'un diffuseur d'air, et iln2y a pas de risques d'anoxie dans le clarificateur. La description qui va suivre, en référence au dessin annexé permettra de mieux comprendre l'invention. Lafigure 1 estune représentation schématique en plan du bassin dssaéra- tion suivantlginvention. La figure 2 est une coupe longitudinale verticale du bassin d'aération suivant ltinvention. I1 est bien précisé qu'il s'agit uniquement dtun exemple et que toutes autres formes, proportions et dispositions pourraient êtreadoptées sans sortir dú cadre de ltinvention. Lebassin d'aération l, suivant ltinvention, est divisé suivant son grand axe par une cloison 2 laissant un passage libre à chacune de ses extrémités. L'eau à épurer est introduite en 3 et les boues activées concentrées recircu Liées depuis 1 e décanteur secondaire sont introduites en 4. Le départ des boues activées vers le décanteur secondaire se fait en 5. Un système 6 destiné à assurer la circulation de la liqueur eau-boues activées, enjambe l'une des moitiés du bassin en prenant appui sur une des parois extérieures et sur la cloison médiane Z. Ce système, constitué par un rotor à axe horizontal, assure, par sa rotation, la translation horizontale de la masse liquide contenue dans le bassin. Un courant de circulation estainsi créé dans la boucle fermée formée dans le bassin grâce à la paroi Z. Ce courant de circulation assure une bonne dispersion de l'eau à traiter 3 et des boues activées recirculées du décanteur secondaire et introduites en 4 dans la maSse du réacteur biologique. Le rotor 6a du système de circulation 6 que l'on voit en détail sur la figure 2, est équipé d'une série de pales dont l'une des extrémités est libre et l'autre fixée à un moyeu, ces pales étant soit radiales, soit coudées, soit courbes, à large espacement (supérieur à 5 cm). L'espace entre pales est entièrement libre à la périphérie, de façon à supprimer tout risque de bouchage dt à la présence fréquente dans les eaux résiduaires, de- corps volumineux, fibre s, etc. . . De préférence, l'axe 6b du rotor du système de circulation est situéau- dessus du niveau d'eau 8, pour permettre de disposer les paliers-supports dans lesquels il tourne dans une zone protégée et d'accès facile. Parallèlement, en une ou plusieurs zones du bassin 1, sont disposés des oxygénateurs constitués par des diffuseurs d'air ou d'oxygène tels que représentés schématiquement en 7. Ces diffuseurs 7 sont alimentés en air (ou en gaz enri chi à l'oxygène) par l'intermédiaire dtun collecteur 8; l'air est alors fourni par une ou plusieurs soufflantes 9. Avantageusement, la meme source d'air surpressé assurant l'oxygéna- tion, estutilisée pour réduire le couple de démarrage du système de circulation, en particulier après un arrêt prolongé ayant provoqué l'immobilisation de la masse liquide. Temporairement, une partie ou la totalité de l'air surpressé est alors envoyée dans des diffuseurs, tels que 7a (voir figureZ) placés audessous du système de circulation 6 ; après le démarrage, ce diffuseur 7a est arrêté et ltoxygénation assurée parles diffuseurs 7 L'intérêt pratique de la présente invention peut être illustré par ltexemple suivant: Pour épurer, parle procédé des boues activées à faible charge, lteffluent d'une population de 10. 000 habitants représentant environ 500 kg de DBO par 3 jour, le volume du réacteur biologique est proche de 1500 m . Si le bassin a une longueur de 30 m, chaque moitié aura une section verticale transversale 2 de 25 ln . Pour assurer une vitesse de circulation suffisante, le débit du système de circulation sera par exemple de 12, 5 pour une vite s se moyenne de 0,5 m/s .Avec le système de circulation suivant l'invention, la puissance d'entrathement de cet appareil sera de quelques kW (de l'ordre de 4 kW)- Parallèlement, l'élimination de 95 % des 500 kg de DBO nécessite un apport de 500 à 600 kg d'oxygène. Avecune diffusion par fines bulles sous 3m de hauteur d'eau, dans les conditions de l'invention, la dépense énergétique de diffusion d'oxygène dans les boues activées est de l'ordre de 0, 4 kWh/kg d'O2 introduit. Dans les dispositions usuelles, où le même appareil assure à la fois oxygénationet brassage, da dépense d'énergie pour l'oxygénation peut descendre jusqu'à 0, 7 kWh/kg d' 2 introduit dans les boues activées. Mais, en périodes de faible charge et de faible demande d'oxygène, le fonctionnement des aérateurs de surface est commandé par les conditions minimales de brassage et la dépense énergétique peut très difficilement se situer en-dessous de 10Wh/m de bassin, meme sillon syncope le fonctionnement des organes d'oxygénation et brassage. Durant les heures creuses, où la demande d'oxygène peut aisément descendre pendant plusieurs heures à 10 kg d'O2, on voit que la dépense d'énergie horaire sera: - pour un bassin d'aération agencé suivant l'invention: Circulation 4 kWh Oxygénation 0, 4 x 10 4kWh Total: 8 kWh - pour un bassin agencé de façon classique: 3 h/m3 1500 m x 0, 010 kWh/m3 = 15 kWh Ladépense d'énergie est donc réduite de 50 % grâce aux dispositions adoptées conformément à l'invention durant les périodes au cours desquelles la charge horaire appliquée est notablement inférieure àla charge horaire nominale . Dans le cas où l'eau à traiter est chargée de particules spécialement lourdes, le balayage du fond du bassin peut être accru par la mise en place, en amont et/ou en aval du système de circulation, de guides et déflecteurs. REV ENDICATIONS 1) Bassin d'aération pour l'épuration par boues activées d'eaux polluées urbaines ou industrielles, constitué par une enceinte rectangulaire comportant un cloisonnement interne co-axial au grand axe de l'enceinte et formant une boucle fermée, la dite enceinte étant munie d'au moins un système assurant la circulation de la liqueur activée et d'au moins un système, indépendantdu précédent, d'oxygénation de l'eau, caractérisé en ce qu'il comporte comme système assurant la circulation de la liqueur activée, un rotor muni de pales et dont l'axe horizontal est disposé perpendiculairement au cloisonnement interne du bassin, ainsi que des systèmesd'oxygénation disposés en plusieurs points du bassin, ltensemble pouvant assurer sous aération continue une nitrification-dénitrification de l'eau à traiter. 2) Bassin d'aération suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe du rotor est disposé au-dessus du niveau atteint par la liqueur dans le bas sin. 3) Bassin d'aération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor du système de circulationde la liqueur activée présente une plurálité de pales de grande surface espacées à leur périphérie d'une quantité suffisante pour éviter llencrassementdu système. 4) Bassin d'aération suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que lerotor du système de circulation estéquipé de six à trente pales espacées à leur périphérie d'au moins 5 cm. 5) Bassin d'aération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor du système de circulation a une vitesse périphérique comprise entre 0, 5 met 3 m/s. 6) Bassin d'aération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caråctérisé en ce que l'un au moins des systèmes de circulation et l'un au moins des systèmes d'oxygénation sont disposés de façon à ce que l'air surpressé injecté par le système d'oxygénation soit utilisé temporairement, au moment du démarrage du système de circulation, pour réduire le couple de démarrage de ce système