Brevet FR2474889A1 — publié le 19810807

La présente invention concerne un dispositif pour la dispersion d'un liquide dans une phase gazeuse, en parti- culier par entratnement du liquide confiné dans un lit ou bassin en un mouvement ascendant en vue de sa dispersion dans la phase gazeuse. Un domaine particulièrement important de l'utilisation des dispositifs de ce genre est constitué par les aérateurs d'installations de traitement d'eaux usées, mettant en oeu- vre une réaction biologique d'épuration par boues activées. Dans cette technique d'épuration des eaux usées, divers types de dispositifs d'aération ont été successivement dé- veloppée. On a connu ainsi des systèmes surpresseurs adaptés à alimenter en air-une canalisation située à proximité du ni- veau du radier du bassin d'activation, cette canalisation étant percée de trous, ou éventuellement équipée de diffu- seurs poreux, afin de favoriser la création de bulles d'air qui traversent en remontant la masse de fluide à aérer. Un autre type de technique fait appel à des brosses rotatives horizontales dont l'axe est situé au-dessus du plan d'eau, de façon à ce que des éléments radiaux, soit souples formant poils de la brosse, soit rigides formant pales, battent l'eau à la manière des roues à aubes des ba- teaux d'autrefois. on a vu se développer enfin des turbines de surface dont le rotor vertical est équipé d'un corps immergé au ni- veau du plan d'eau qui bat l'interface air-eau de façon à élever dans l'air une gerbe d'eau. L'invention part de l'état de la technique constitué par cette troisième catégorie d'appareils, comportant une pompe, au moins partiellement immergée dans le liquide entre - une tulipe d'aspiration et un ajutage de refoulement. L'ex- périence montre que dans les appareils de ce genre, l'hélice formant l'organe actif de la pompe travaille avec un mauvais rendement lequel est attribuable à la hauteur de la gerbe d'eau, nécessairemunt limitée, hauteur en général nettement inférieure au mètre, par exemple. On sait que, pour assurer une bonne aération, il suf- fit de produire une gerbe dispersant les gouttes en pluie de très faible hauteur (moins d'un mètre, comme précité), en effet, l'interface liquideair est saturée d'une manière presque immédiate. A contrario, à des hauteurs manométriques totales aussi réduites, le rendement des pompes hydrauliques sa révèle être très mauvais. Par ailleurs, ces aérateurs de surface n' offrent aucune possibilité d'une solution rationnelle au problème d'un mélange des couches basses du liquide (proches du radier du bassin) à celles intermédiaires et superficiel- les; pour obtenir un tel mélange, même imparfait, on est conduit, avec les dispositifs connus à ce jour, à dépenser une puissance d'agitation superflue qui est sans rapport avec le besoin en oxygène. L'invention a donc pour objet la création d'un disposi- tif d'entratnement de liquide du genre considéré offrant un rendement énergétique considérablement amélioré par rapport aux turbines de surface connues. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un dispositif d'entraînement de liquide du genre considéré dans des conditions particulièrement favorables à l'efficacité de processus biologiques de traitement d'eaux usées. Un dispositif selon l'invention comportant une pompe au moins partbllement immergée dans le liquide entre une tulipe d'aspiration et un ajutage de refoulement, en combinaison avec un moteur d'entra nement, est essentiellement caractéri- sé en ce qu'une tulipe d'aspiration primaire est disposée à proximité du fond du lit ou bassin, tandis que l'ajutage de refoulement se situe à proximité de l'interface liquide-gaz, une conduite de hauteur adaptable à la profondeur de la cou- che liquide est ménagée entre les deux, la pompe étant immer- gée au voisinage de la tulipe d'aspiration. Selon un mode de réalisation préférentiel, il est prévu l'aménagement d'une tulipe secondaire, extérieurement concen- trique à ladite tulipe primaire, le flux ascendant de la tu- lipe primaire créant par entraînement un flux ascendant secon- daire se mélant à lui en aval de la pompe. Un dispositif ainsi agencé permet de pallier les incon- vénients précités et offre un ensemble d'avantages concordants de nature à accrottre, dans une mesure surprenante, l'effi- cacité des processus d'épuration biologique mettant en oeu- vre des boues activées. En effet, en puisant l'eau au niveau du radier, l'aération affecte impérativement et plus efficacement les boues qui se trouvent entraînées dans le mouvement d'aspi- ration engendré par le flux primaire avec une action directe sur les micro-organismes portés par ces boues. L'expérience montre qu'une conséquence de ce pompage des boues au niveau du radier est une meilleure élimination de la demande chimique en oxygène. Par ailleurs, la création d'un flux secondaire se traduit par un accroissement du débit pour un même travail de la pompe donc par une amélio- ration du rendement énergétique. Par ailleurs, jusqu'à présent, les constructeurs d' installations de traitement des eaux usées devaient réali- ser un bassin en fonction des caractéristiques de l'aéra- teur, notamment des mouvements des fluides et en tenant compte des sédimentations parasites. Désormais, le construc- teur pourra réaliser le bassin qu'il souhaite, l'invention offrant la possibilité d'une adaptation de l'aérateur aux particularités de son bassin. Les conditions de fonctionnement d'un dispositif se- lon l'invention sont pratiquement indépendantes des mouve- ments éventuels du plan d'eau, alors que ces mouvements affectent les conditions de fonctionnement et en particulier le rendement énergétique des "aérateurs de surface" de la technique antérieure. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'aju- tage de refoulement comporte une surface externe de révolu- tion de profil évasé, cet ajutage pouvant avantageusement être équipé en outre d'une surface de confinement interne en forme de pointeau dont la position en hauteur peut etre rendue réglable par tous moyens. Ainsi, la gerbe d'eau est modulable par construction; l'angle de tir peut être déter- miné par le choix de la forme de l'ajutage de refoulement, tandis que la distance de tir peut éventuellement être de son côté modulée par action du pointeau sur la surface ex- terne de confinement. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en perspective d'une forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention la figure 2 est une vue correspondante en élévation en coupe axiale; la figure 3 est une vue semblable à la précédente rela- tive à une variante à bouée cylindrique la figure 4 est une vue en coupe axiale d'une autre variante à bouée cylindrique. Suivant la forme de réalisation choisie et représentée aux figures 1 et 2, le dispositif immergé dans un bassin 10,. avec radier 11, comporte une tulipe d'aspiration primaire 12, disposée coaxialement à l'intérieur d'une tulipe secondaire 13, étant maintenue dans celle-ci par une série de trois bras radiaux 14. Ces bras se prolongent à l'intérieur de la tulipe d'aspiration 12 pour maintenir dans l'axe de celle-ci un moteur électrique d'entratnement 15 dont l'arbre 16 porte une roue hélicoïdale de refoulement 17. En aval de cette roue la tulipe d'aspiration se termine par un tronçon de conduit 18 équipé de manière connue en soi d'une série d'ai- lettes de redressement de l'écoulement. Chacun des bras supports 14 comporte également un pro- longement du cOté extérieur de la tulipe secondaire 13, pro- longement tel que 19 en bout duquel est articulé sur un axe un bras ou un élément de bras orientable 21 portant à son extrémité une bouée de sustentation 22, l'ensemble formé par cet élément de bras 21 et cette bouée 22 pouvant se fixer au moyen, par exemple, d'un boulon de serrage 23et d'une fnte en arc de cercle 24 centrée sur l'axe 20 en une position régla- ble entre deux positions extrêmes, comme indiqué respectivement en 22A22B. La position indiquée en 22A est une position d' encombrement réduit, notamment pour le transport, o la sus- tentation est assurée avec un couple minimum. L'autre posi- tion extrême 22B correspond, au contraire, à la sustentation avec un couple maximal de stabilisation. La tulipe d'aspiration secondaire 13 aboutit à une bride 26 de raccordement à un élément de conduit 27, à l'autre ex- trémité duquel se trouve une autre bride 28 permettant le raccordement d'un ajutage de refoulement 30 offrant une sur- face externe de confinement de l'écoulement constitué par une surface de révolution de profil évasé. Cette surface d'aju- tage confine, d'autre part, en coopération avec une surface externe, par exemple cylindrique, 31, et un fond 32, un vo- lume d'air 33 formant bouée centrale de sustentation et de stabilisation. Enfin, un corps de forme conique 34 adapté à coulisser sur une série de tiges de guidage 35 parallèles à l'axe du dispositif constitue un pointeau de confinement intérieur de l'écoulement, la position en hauteur de ce pointeau étant par exemple influenicée, dans le cas de la forme de réalisation représentée, par lécrasement deressorts comprimés 36. Un dispositif ainsi constitué est adapté à flotter dans la masse liquide, ses bouées de sustentation 22 et 33 étant déterminées de telle sorte que le bord supérieur de l'ajutage de refoulement 30 se place à une distance voulue au-dessus du plan liquide. Alors que les bouées de sustentation 22 peuvent s'escamoter en vue du transport en réduisant l'encombrement du dispositif, en leur position déployée 22B elles assurent la sta- bilisation du dispositif au sein de la masse liquide avec un couple maximum. L'élément de conduit 27 est interchangeable,sa dimension axiale étant choisie de telle sorte que le bord infé- rieur de la tulipe d'aspiration 12 se situe, compte tenu du dépassement éventuel du bloc moteur 15, à une faible distance du radier 11. En fonctionnement le pompage s'effectue ainsi avec une hauteur correspondant à la quasi totalité de la pro- fondeur du bassin et les boues tendant à se déposer sur le radier de celui-ci se trouvent nécessairement entraînées dans le mouvement. Au courant primaire aspiré par la tulipe 12 s'ajoute un courant additionnel aspiré dans la tulipe secon- daire 13; cette disposition contribue à augmenter le rende- ment pour une hauteur manométrique donnée. Un résultat semblable est obtenu dans le cas de la va- riante de réalisation de la figure 3 qui ne porte pas de tu- lipe secondaire, mais o en aval de la tulipe primaire 12A et en amont du conduit de transition 27A est ménagé un tron- çon de conduit 37 comportant sur sa périphérie une série d'orifices 38 chacun de ces orifices étant avantageusement associé dans ce cas à un ajutage de guidage d'écoulement 39. Les orifices ainsi ménagés remplacent la tulipe secondaire - avec un effet comparable d'augmentation du débit de pompage. On trouve, d'autre part, sur la variante de réalisation de la figure 3 l'aménagement autour du conduit de transition 27A et pratiquement sur toute la hauteur de celui-ci, d'une bouée cylindrique de sustentation 40. Dans une telle forme de réalisation la stabilité du dispositif peut etre améliorée de façon connue en soi par la disposition en surface, -soit d'un flotteur toroidal, soit d'une série de flotteurs dis- posés au bout de bras porteurs de longueur appropriée pour éviter toute interférence indésirable avec la nappe de dis- persion. Dans la variante de réalisation de la figure 4, le con- duit de transition 27B présente un tronçon tronconique 40 faisant office de tulipe d'aspiration secondaire. La bouée coaxiale 42 est munie d'orifices 43, 44 pour l'introduction ou l'évacuation du liquide ou du solide de lestage ainsi que de tores raidisseurs 45, 46 créant un arrondi du niveau de l'entrée du flux secondaire. Une manille 47 est prévuS leour la manipulation ou le déplacement commandé de l'ensemble du dispositif. Les extensions 48 sont destinées au réglage du diffuseur, c'est-à-dire de la hauteur du pointeau 34 dans 1' ajutage de refoulement 30. En effet, quelle que soit la variante de réalisatiz.n. la forme de la nappe de dispersion peut Ctre modulée rur ur profil donné de l'ajutage de refoulement par un réglage apim - prié en hauteur du pointeau 34. Dans le cas de la forme de réalisation représentée du pointeau 34 soumis à l'action de ressorts comprimés 36 (fig. 1, 2 et 3), la position en hau- teur du pointeau varie en fonction des caractéristiques des resssorts et de la poussée hydraulique. Dans le cas de la forme de réalisation de la figure 4, l'action des ressorts est supposée etre remplacée par la masse du pointeau. Dans une forme de réalisation plus élaborée, il est pré- vu au contraire un dispositif de réglage adapté à détermi- ner la hauteur du pointeau selon une loi d'asservissement appropriée quelconque, par des moyens en soi connus. Outre les avantages déjà exposés, l'homme de l'art appréciera ceux découlant - de l'absence d'un mécanisme réducteur (attaque directe de l'hélice par le moteur), - d'un arbre de transmission ultra-court, - de paliers protégés par huile puisque situés dans la chambre du moteur, - de l'absence d'un bruit mécanique (celui de l'eau retombant en cascade peut être très amorti au moyen d'un écran), - de llextrème facilité d'adaptation du dispositif ("à la demande") à la profondeur du bassin par dimensionne- ment correspondant du conduit intermédiaire entre tulipe d' aspiration et diffuseur (les caractéristiques du bassin sont indépendantes de l'aérateur), - de la modulation offerte au niveau du diffuseur, - des facilités de manipulation et de déplacement du fait de l'autosustentation (réglable) du dispositif selon l'invention, - de la possibilité d'injecter des produits d'addition de toute nature. Il va de soi que l'invention se prote à de nombreuses variantes qui toutes en font partie intégrante. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'entraînement d'un liquide confiné dans un lit ou bassin en un flux ascendant en vue d'une disper- sion dans une phase gazeuse, dispositif du genre comportant une pompe au moins partiellement immergée dans le liquide entre une tulipe d'aspiration et un ajutage de refoulement, en combinaison avec un moteur d'entraînement, caractérisé en ce qu'une tulipe d'aspiration primaire est disposée à proximité du fond du lit ou bassin, tandis que l'ajutage de refoulement se situe à proximité de l'interface liquide-gaz, une conduite de hauteur adaptable à la profondeur de la cou- che liquide est ménagée entre les deux, la pompe étant immer- --gée au voisinage de la tulipe d'aspiration. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par l'aménagement d'une tulipe secondaire extérieurement concen- trique à la dite tulipe primaire, le flux ascendant de la dite tulipe primaire créant par entratnement un flux ascen- dant secondaire se mélant à lui en aval de la pompe. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par l'aménagement en amont de l'ajutage de refoulement, d'au moins une prise en forme de tuyère ou d'orifice en vue notamment de l'injection d'un produit d'addition au liquide en traitement. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le moteur d'entrafnement est disposé au-dessous de la pompe. ) Dispositif selon une des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce que l'ajutage de refoulement comporte une surface externe de révolution de profil-évasé. 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ajutage comporte en outre une surface de confine- ment interne en forme de pointeau. 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le pointeau est réglable en hauteur. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est rendu flottable au moyen d'une bouée cylindrique s'étendant le long du conduit sur une hauteur adaptée à sa dimension radiale. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la flottabilité est assurée au moyen d'une pluralité de flotteurs fixés au bout de bras radiaux. 10) Dispositif selon la revendication 8 ou la revendi- cation 9, caractérisé par le lestage de ladite bouée ou de chaque flotteur par remplissage d'une partie réglable de son volume.