Brevet FR2486062A1 — publié le 19820108

Procédé et dispositif pour mettre en contact un gaz avec un liquide, en particulier de l'air avec des eaux usées. La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour mettre un gaz en contact avec un liquide, en particulier de l'air avec des eaux usées, polluées par des matières organiques. On connaît de nombreux procédés pour l'épuration biolo- gique d'eaux usées, polluées par des matières organiques. Les procédés les plus répandus font appel à des dispositifs Kessener équipés d'une brosse rotative, des dispositifs dits d'aération en surface à agitation mécanique ainsi que des dispositifs d'aération à insufflation d'air. A l'aide de ces dispositifs, on introduit de l'oxygène dans les eaux usées ayant subi une pré-épuration mécanique, de manière à agrandir la surface libre, en contact avec l'air, des eaux usées con- tenues dans un bassin ou s'écoulant à travers un bassin. L'oxygène de l'air en contact avec les eaux usées couvre la demande biologique en oxygène des eaux usées. Les dispositifs rotatifs servant à agiter les eaux usées en vue d'agrandir la surface libre de ces eaux, c'est-à-dire en vue d'assurer l'apport de la quantité nécessaire d'oxygène à la quantité unitaire d'eau,impliquent une consommation d'éner- gie considérable. Cette constatation est valable également pour les dispositifs d'aération par insufflation d'air. Cette grande consommation d'énergie est évidemment un facteur défavorable qui influe sur la rentabilité de l'épuration des eaux. Un autre inconvénient est dû au fait que les solutions connues, décrites ci-dessus, ne permettent de réduire tout au plus que de 90 à 95% la demande biologique en oxygène. La présente invention vise un procédé et un dispositif pour mettre un gaz en contact avec un liquide, en particulier de l'air avec des eaux usées, entraînant une consommation d'énergie sensiblement plus faible, mais assurant par contre un meilleur apport de gaz, que suivant les procédés et dispo- sitifs connus à l'heure actuelle. - L'invention est basée sur la constatation que l'apport de gaz au liquide peut être effectué avec un ceilleur rendement et avec une consommation d'énergie sensiblement plus faible si on pulvérise le liquide dans un espace contenant le gaz plutôt que d'introduire le gaz dans une certaine quan- tité de liquide. Sur la base de cette constatation, la présente invention résout le problème consistant à mettre un gaz en contact avec un liquide, en particulier de l'air avec des eaux résiduaires, avec augmentation mécanique de la surface du liquide, par le fait qu'on introduit le liquide sous pression dans un corps creux présentant des ouvertures dans sa paroi et tournant dans un espace contenant le gaz et qu'on pulvérise le liquide en gouttes dans l'espace contenant le gaz en laissant les jets de liquide sortant des ouvertures du corps creux heurter des corps solides également tournants. Il convient de remarquer que dans le cadre de l- prse5nte invention, l'expression "pulvérisarou pulvérisation De'-J la décomposition des jets de liquide en particuls plus D u. s importantes (gouttes), mais que l'invention n'est en aucune manière limitée à certaines dimensions de ces gouttes. Le dispositif conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend un corps creux rotatif, xuni d_'ur= tures dans sa paroi, corps dans lequel débouche un tube servant à l'alimentation en liquide. Des organes de pulvé'risa-tion sont fixés, en ligne avec lesdites ouvertures de la paroi du corps creux, à ladite paroi, à distance desdites ouvertures à savoir en arrière de ces ouvertures dans le sens de rotation du corps creux. Le corps creux rotatif est disposé dans l'espace contenant le gaz qui doit être mis en contact avec le liquide et qui renferme un appareil pour récupérer et évacuer le liquide pulvérisé, c'est-à-dire décomposé en gouttes. La forme et la position dans l'espace du corps creux peuvent en principe être choisies à volonté, mais la forme cylindrique, en tambour, est la plus judicieuse.C'est la raison pour laquelle, suivant une autre caractéristique de l'invention, le corps creux est réalisé sous la forme d'un tambour de pulvé- risation dont l'axe de rotation géométrique est vertical ou sensiblement vertical, la longueur, c'est-à-dire la hauteur du tambour de pulvérisation étant avantageusement supérieure au diamètre du tambour. En principe, les ouvertures peuvent être réalisées dans n'importe quel agencement dans la paroi du corps creux rotatif mais il est avantageux de disposer, dans la paroi du corps creux, en particulier du tambour cylindrique, les ouvertures de passage en plusieurs rangées espacées. En outre, il est avantageux que les ouvertures dans la paroi du corps creux présentent une forme tronconique devergent de l'extérieur vers l'intérieur. Notamment en cas d'utilisation d'un tambour cylindrique de pulvérisation, il est avantageux de fixer, dans chaque rangée d'ouvertures, entre chaque fois deux ouvertures, un organe de pulvérisation faisant saillie latéralement par rapport au tambour. La pulvérisation, c'est-à-dire la décomposition en gouttes des jets de liquide, est la plus efficace lorsque les organes de pulvérisation sont constitués par des faisceaux de fibres, de préférence de matière élastique, par exemple des fibres en matière plastique. Ces fibres élastiques en matière plastique s'étalent pour adopter une forme en éventail, par suite de leur rotation conjointement avec le corps creux, ce qui fait que la surface de matière solide produisant la dé- composition des jets d'eau en gouttes, se trouve agrandie et, bien entendu, 1'efficacité de pulvérisation se trouve notablement accrue. Chaque faisceau peut comprendre par exemple à 60 fibres de matière plastique d'un diamètre d'environ 1 mmz et d'une longueur comprise entre 10 et 40 cm, de préférence d'environ 20 cm, ces fibres étant fixées à l'aide d'anneaux en caoutchouc dans les ouvertures prévues dans la paroi du corps creux, par exemple du tambour de pulvérisation. Ces ouvertures peuvent être conformées de la même manière que les ouvertures d'échappement de liquide, c'est-à-dire par exemple présenter une forme tronconique. La surface utile totale des ouver- tures d'échappement correspond au moins sensiblement à la section de passage utile du corps creux rotatif. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le corps creux de pulvérisation est relié, à son extrémité supérieure, à l'arbre d'un moteur d'entraînement et à son extrémité inférieure à un tube d'introduction de liquide débouchant dans le corps creux, à l'aide d'un palier monté de façon étanche sur la surface extérieure du tube; le moteur d'entraînement est de préférence un moteur électrique antidéflagrant fixé à la structure de support au-dessus du corps creux de pulvérisation. En particulier pour l'épuration d'eaux usées, l'espace contenant le gaz devant être mis en contact avec le liquide est de préférence constitué par un bassin ou une cuve fabriqué par exemple en béton armé, comprenant une plaque de fond et une paroi latérale,l'espace intérieur du bassin ou de la cuve communiquant avec l'air ambiant. Du point de vue fonctionnel, la solution la plus judicieuse est un réservoir ayant en plan une forme circulaire, sa plaque de fond présentant une incli- naison vers l'intérieur, vers l'axe médian géométrique vertical. Le liquide sortant du-corps creux rotatif est recueilli par un canal annulaire disposé dans la partie la plus basse du bassin ou de la cuve, canal à partir duquel part un tube servant à l'évacuation du liquide. Egalement pour l'épuration d'eaux usées, il est avantageux que le bassin ou la cuve soit au moins en partie ouvert vers le haut. De cette manière, les eaux usées sortant du corps creux et pulvérisées sous la forme dégouttes, entrent toujours en contact avec de l'air frais. Il est avantageux que le bassin ou la cuve soit réalisé en béton armé et soit muni d'une passerelle de support pour la suspension du moteur d'entraînement, cette passerelle étant fixée à la paroi latérale du bassin et/ou appuyée contre cette dernière. Les avantages résultant de l'invention peuvent être groupés comme suit. Le stockage des eaux usées avant traitement est inutile, les eaux usées ayant subi un traitement mécanique peuvent être introduites de façon ininterrompue dans le dispositif dans lequel chaque goutte d'eau est mise en contact avec une quantité correspondante d'oxygène car la surface de l'eau est agrandie au maximum par pulvérisation dans l'espace contenant l'air. En effet, contrairement aiuprocédésconniuw ce n'est pas l'oxygène qui est introduit dans de l'eau, mais c'est l'eau pulvérisée qui absorbe l'oxygène de l'air, de sorte que la consommation d'énergie nécessaire pour mettre l'oxygène en contact avec l'eau, se trouve réduite de façon radicale et l1- rendement de l'apport d'oxygène se trouve accrû. En même temps, les frais d'installation du dispositif sont relativement faibles, le dispositif dans son ensemble et notamment également le pul- vérisateur, sont simples-du point de vue construction et fonctionnement. Le procédé et le dispositif peuvent être uti- lisés pour n'importe quelle quantité de liquide à traiter et il est possible d'utiliser le dispositif comme épurateur d'eau indépendant ou de le monter dans une installation déjà exis- tante. En se référant au dessin annexé, on va décrire ci-après un exemple de réalisation illustratif et non limitatif d'un dispositif d'aération d'eaux usées selon l'invention: le figure 1 est unevue en plan d'un dispositif d'aé- ration; la figure 2 est une coupe suivant A-A de la figure 1; la figure 3 est une coupe suivant B-B de la figure 1; la figure 4 est une vue en élévation latérale, partiel- lement en coupe axiale verticale, du pulvérisa- teur du dispositif; la figure 5 est une coupe suivant C-C de la figure 4. Comme le montrent surtout les figures 1 à 3, le dispo- sitif servant, dans le cas présent, à l'épuration biologique d'eaux usées, polluées par des matières organiques, comprend une cuve en béton armé portant dans son ensemble la référence 1, cette cuve étant ouverte dans le haut et présentant en projection horizontale une forme circulaire. La plaque de fond 2 est inclinée depuis la paroi latérale 3 vers l'intérieur, en direction de l'axe central vertical 0 (flèche C), c'est-à- dire présente une forme conique.A la partie la plus basse de la zone centrale de la cuve 1 est disposé-un bloc 4 en béton entouré d'un canal annulaire 5. Un tube 6 mène depuis le canal à travers la plaque de fond 2 hors de la cuve 1, le tube 6 présentant une inclinaison a. Le fond du canal 5 est incliné vers l'ouverture de raccordement entre le canal 5 et le tuyau 6. Cette inclinaison est indiquée par les flèches b sur la figure 1. Dans l'espace intérieur de la cuve i est monté en position centrale un pulvérisateur portant dans son ensemble]a rifl rence 7, dont l'axe de rotation géométrique vertical X coin- cide avec l'axe médian central O de lEensemble du dispositif. Le pulvérisateur 7 comprend un corps creux 8 en forme de tambour vertical rotatif dont la paroi comporte des ouvertures de passage non représentées sur les figures 1 et 2 et, en ligne avec lesdites ouvertures, des organes de pulvérisation 9 disposés sur le côté extérieur du corps 8. Un tube 10 traversant la plaque de fond 2 de la cuve 1 débouche depuis le bas dans le corps de pulvérisation 8. Les deux extrémités d'une passerelle de support 11 constituées par des poutrelles d'acier à profil en U prennent appui sur la paroi latérale 3 de la cuve 1. Le pulvérisateur 7 est suspendu à cette passerelle 11. La chape de béton se trouvant en dessous de la plaque de fond 2 de la cuve 1 porte la référence 12., tandis que la- fonation en gra- viers est référencée13. Un escalier 14 en béton mène depuis la surface de la terre (ni7veul t) à la passerelle ZI, tandis que la paroi latérale 3 est entourée d'un re....7.i 2 terre 15. Les figures 4 et 5 représentent le pulvérisateur 7 en détail, à plus grande échelle. On reconnaît sur ces figures que la paroi 15 du tambour de pulvérisation 8 cocrr È' - sieurs rangées superposées d'ouvertures de passage 17 de forme tronconique, leur diamètre diminuant quelque peu "de l: térieur vers l'intérieur. La section de passage totab des ouvertures 17 correspond à la section de passage du.. u tambour pulvérisateur 8. Toutes les ouvertures 17 d'une rangée se trouvent dansun même plan horizontal.Dans chaque seconde ouverture de chaque rangée est fixé un organe de pulvérisation 9. Les organes de pulvérisation 9 sont constitués par des faisceaux de fibres de matière plastique 18. La fixation des faisceaux de fibres dans les ouvertures 17 s'effectue à l'aide d'anneaux en caoutchouc 19 disposés sur la face intérieure de la paroi 16 du tambour pulvérisateur 8. Le diamètre inté- rieur D1 du tambour pulvérisateur 8 s'élève par exemple à 140 nm, sa longueur étant de 75 cm; le diamètre d des ouvertures 17 s'élève à lO1mi, tandis que la longueur e des faisceaux de fibres s'élève à 20 cm; chaque faisceau peut être constitué de fibres matière plastique de 1 nm de diamètre. Le tube d'alimentation 10 débouchant depuis le bas dans le tambour pulvérisateur 8 présente un diamètre intérieur D2 de 80m. La distance réciproque f des rangées d'ouvertures 17 s'élève par exemple à 110 mm. Dans le cas de cet exemple de réalisa- tion, chaque rangée d'ouvertures 17 présente 16 ouvertures, c'est-à-dire chaque rangée comprend 8 ouvertures de passage et, dans les 8 autres ouvertures, 8 faisceaux de fibres 18 formant l'organe de pulvérisation 9. Les ouvertures 17 sont disposées radialement et l'angle cC entre les axes des ouver- tures 17 s'élève à 22,5 (figure 5). Le tambour pulvérisateur 8 est entraîné en rotation par un moteur électrique 20 anti-déflagrant, monté sur la passerel- le de support 11, le moteur 20 et le tambour 8 étant accouplés par des tronçons de tubes 21,24 et des brides 22 et 23 soudées auxdistronçor de tube. Dans le cas de l'exemple donné ci-dessus, la consommation d'énergie du moteur électrique 20 est comprise entre 8 et 10 kW. Le tube 10 servant à l'alimentation du pulvérisateur 7 en eaux usées, est raccordé dans le bas par un palier double extérieur 25 au tambour pulvérisateur 8 à l'aide d'un joint, le tambour 8 étant monté en rotation autour du tube 10. La capacité utile de la cuve 1 s'élève, dans le cas de l'exemple de réalisation précédent, à environ 20 m, l'alimen- tation en eaux usées exigeant une pompe alimentée non repré- sentée d'un débit d'environ 1000 lmin. Le dispositif tel que décrit ci-dessus fonctionne comme suit. A l'aide de la pompe alimentaire non représentée, des eaux usées épurées mécaniquement sont envoyées par le tube 10 à l'intérieur du tambour pulvérisateur 8, dans le sens de la flèche m sur les figures 1 à 3. Par la mise en marche du moteur électrique 20, le tambour pulvérisateur 8 est entraîné en rotation autour de son axe longitudinal géométrique X. La vitesse de rotation du tambour pulvérisateur est réglée de façon proportionnelle au débit de la pompe alimentaire. L'eau pénétrant sous pression dans le tambour pulvéri- sateur 8 en rotation s'échappe sous forme de jetsdu tambour 8 par les ouvertures libres 17, dans le sens des flèches h (figures 4 et 5). Immédiatement après leur sortie du tambour 8, les jets d'eau sont pulvérisés au contact des organes de pulvérisation 9. L'efficacité de la pulvérisation est accrue par le fait queles fibres de matières plastiques 18 des fais- ceaux constituant les organes de pulvérisationg'étalent sous l'action des forces centrifuges et adoptent une forme en éventail, pour décomposer les jets d'eau en gouttes. La résis- tance des jets d'eau est très faible et l'augmentation de surface de l'eau est extrêmement efficace par suite de la pul- vérisation, de sorte que l'absorption d' air ou d'oxygène par l'eau est maximale. L'eau décomposée en gouttelettes heurte en partie la face intérieure de la paroi latérale 3 de la cuve 1 (voir fMchesk sur les figures 1, 2 et 3), après avoir absorbée l'oxygène de-l'air, et tombe en partie sur la plaque de fond 2, s'accumule dans le canal 5 et s'écoule de la cuve 1 par le tuyau 6 (flèche 1 sur les figures 1 et 2). Les eaux usées riches en oxygène sortant de la cuve peuvent subir un traitement ultérieur et peuvent éventuellement être directement envoyées dans le décanteur primaire. A l'aide du dispositif décrit ci-dessus, il est possible, avec les dimensions indiquées, d'assurer avec une faible consommation d'énergie, l'apport d'oxygène nécessaire pour une quantité d'eaux usées d'environ 600 à 800 m3 par jour. L'invention n'est évidemment pas limitée au mode de réalisation décrit cidessus, mais peut recevoir de nombreuses modifications et variantes. Au lieu de la construction en béton armé, on peut également utiliser par exemple une cuve en métal. L'eau aérée peut être évacuée par exemple par un entonnoir. Les organes de pulvérisation peuvent être constitués non pas seulement par des fibres en matière plastique, mais également par exemple des fibres métalliques. Comme organes de pulvé- risation, on peut utiliser non seulement des faisceaux de fibres, mais également d'autres corps solides. Au lieu d'être en béton armé, la cuve pourrait également être fabriquée en métal ou en matière plastique. Bien que l'invention puisse être utilisée en particulier pour l'épuration biologique d'eaux usées, polluées par des matières organiques, son application est également intéressante pour toute autre mise en contact d'un gaz avec un liquide. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mettre en contact un gaz avoc un liquide, en particulier de l'air avec des eaux usaes, la surface du liquide étant agrandie par vole mécanique, carac- térisé par le fait qu'on introduit le liquide sous pression dans un corps creux qui tourne dans un espace contenant le gaz et présente des ouvertures dans sa paroi et quDon décompose en gouttes (pulvérise) les jets de liquide sortant desdites ouvertures, dans l'espace contenant le gaz, en les faisant heurter contre des corps solides également tournant. 2. Dispositif pour mettre en contact un gaz avec un liquide, en particulier de l'air avec les eaux usées, la surface du liquide étant agrandie par voie mécanique, carac- térisé par le fait qu'il comprend un pulvérisateur (7) présen- tant un corps creux rotatif dont la paroi est munie d'ouver- tures, corps creux dans lequel débouche un tube d alie:DL tin en liquide, qu'en ligne avec les ouvertures prévues dans la paroi dudit corps creux, des organes de pulvérisation sont fixes à ladite paroi à distance desdites ouvertures, à savoir derrière lesdites ouvertures dans le sens de rotation du corps creux, et que ledit corps creux rotatif est monté dans l'espace contenant le gaz qui doit être mis en contact avec le liquide, espace dans lequel se trouve un ou des él-,ent pour recueillir et évacuer le liquide décomposé en gouttes (pulvérisé). 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le corps rotatif est constitué par un tambour pulvérisateur (8) dont l'axe de rotation géométrique (X) est vertical ou sensiblement vertical. 4. Dispositif, suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la hauteur (longueur) du tambour pulvérisateur (8) est supérieure à son diamètre (D1). 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que la paroi (16) du corps creux, notamment du tambour pulvérisateur cylindrique (8), présente des ouvertures de passage disposées en rangées espacées. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations 2 à 5, caractérisé par le fait que les ouvertures de il passage dans la paroi du corps creux présentent une forme tronconique divergent de l'extérieur vers l'intérieur. 7. Dispositif suivant la revendication 5 ou 6, carac- térisé par le fait que dans chaque rangée d'ouvertures (17) un organe de pulvérisation (9) faisant saillie latéralement est fixé au tambour pulvérisateur (8) entre chaque fois deux ouvertures de passage (17). 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 à 7, caractérisé par le fait que les organes de pulvé- risation (8) sont constitués par des faisceaux de fibres, de préférence de matériau élastique, par exemple des fibres en matière plastique (18). 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que chaque faisceau contient de 30 à 60 fibres d'un diamètre d'environ lum et d'une longueur comprise entre 10 et cm, de préférence environ 20 cm. 10. Dispositif suivant la revendication 8 ou 9, carac- térisé par le fait que les faisceaux sont fixés à l'aide d'anneaux en caoutchouc (19) dans les ouvertures (17) prévues dans la paroi (16) du corps creux, par exemple du tambour pulvérisateur (8). 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 à 10, caractérisé par le fait que la section utile totale des ouvertures de passage de liquide formées dans la paroi du corps creux rotatif, coïncide au moins sensiblement avec la section de passage utile du corps creux rotatif. 12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations 3 à 11, caractérisé par le fait que le tambour pulvéri- sateur (8) est relié à son extrémité supérieure à l'axe de rotation d'un moteur d'entraînement, tandis qu'un tube d'ali- mentation en liquide (10) débouche dans l'extrémité inférieure du tambour pulvérisateur auquel ce tube est relié par un palier (25) assurant l'étanchéité avec la face extérieure dudit tube. 13. Dispositif suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que le moteur d'entraînement est constitué par un moteur électrique (20) anti- déflagrant, fixé à la structure de support au-dessus du tambour pulvérisateur (8). 14. Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations 2 à 13, caractérisé par le fait que l'espace contenant le gaz qui doit être mis en contact avec le liquide -est cons- titué par l'espace intérieur, en communication avec l'air ambiant, d'une cuve (1) comprenant une plaque de fond et une paroi latérale et fabriquée par exemple en béton armé. 15. Dispositif suivant la revendication 14, carac- térisé par le fait que la cuve présente en projection horizontale une forme circulaire, que sa plaque de fond (2) est inclinée (flèchesC) vers l'intérieur, en direction de son axe médian géométrique vertical (0), et que le liquide sortant du corps creux rotatif est recueilli par un canal annulaire (5) disposé dans la partie la plus basse de la cuve (1), canal à partir duquel part un tuyau (6) servant à l'évacuation du liquide. 16. Dispositif- suivant la revendication 14 ou 15, caractérisé par le fait que la cuve (1) est au moins partiel- lement ouverte dans le haut. 17. Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations 14 à 16, caractérisé par le fait que la cuve (1) est en béton armé et comporte une passerelle de support (11) pour la suspension du moteur d'entraînement, cette passerelle étant fixée à la paroi latérale (3) de la cuve et/ou prenant appui sur cette paroi.