Brevet FR2486416A1 — publié le 19820115

La présente invention se rapporte à une installation destinée à mélanger un gaz avec un liquide et inversement pour dégazer un liquide et plus#particu1ie'rement à l'application d'une telle installation comme aérateur dans des bassins d'épuration d'eau et comme aérateur de surface utilisé comme source d'oxygène nécessaire dans le processus d'épuration biologique de l'eau. Un aérateur de surface. comprend en général un générateur de puissance monté sur un flotteur ou sur une structure fixe d'un bassin d'épuration. Ce générateur de puissance entraîne un arbre sur lequel est monté un agitateur, soit en forme de roue à aubes, soit en forme d'hélice combinée avec un déflecteur 1fixe. Il existe plusieurs types d'aérateurs de surface parmi lesquels on peut faire une distinction entre ceux qui tournent lentement (+ 60 tours/min) et ceux qui tournent à des vitesses élevées (700 1800 tours/min). Un aérateur qui tourne lentement comporte essentiellement un agitateur forme par une roue à aubes conique, de diametre assez grand, qui est partiellement immergée dans l'eau et qui est entraînez par un moteur électrique par l'inter - médiaire d'un réducteur de vitesse. Le rendement de ces aérateurs est très bon dans l'eau c 1 a i r e mais mais il est moins bon en eau usée. Dans le cas des aérateurs qui tournent à des vitesses élevées, l'arbre du moteur est relié directement à un agitateur en forme d'hélice, lequel propulse l'eau avec une grande vitesse vers le haut au travers d'un cône d'aspiration et d'un cylindre vertical pour aboutir sur un déflecteur fixe qui impose à l'eau une variation de direction verticale vers l'horizontale. D'après leur application, ces aérateurs ont un rendement plus ou moins bon dans l'eau peu chargée. Le but de l'invention est d'améliorer le rendement des aérateurs qui tournent à des vitesses élevées et qui sont entraînés directement par l'arbre du moteur et de pouvoir adapter ce rendement élevé aux différentes applications selon le degré de chargement des eaux résiduaires. Suivant 11 invention, l'installation se ca ractérise essentiellement en ce que l'agitateur monté sur l'arbre du moteur comprend une partie in férieure formée par une pompe à hélice destinée à aspirer le liquide axialement vers le haut et une partie supérieure formée par une roue centrifuge à aubes destinée à imprimer une composante horizontale au liquide. Dans une forme de réalisation, les deux parties de l'agitateur forment un ensemble. La roue centrifuge est formée d'aubes de forme hydrodynamique qui peuvent etre reliées ou non à une tête de diffusion ou déflecteur. Une autre caractéristique de l'invention est que le dimensionnement séparé de chaque partie de l'agitateur correspond à un rendement optimal pour chaque application, c'est-à-dire a) Dans les installations par lagunage aéré, où les toues sont activées à très faible ou faible charge, on augmente les dimensions de la pompe à hélice et on diminue les dimensions de la roue centrifuge b) Dans les installations à boues activées à moyenne charge on adopte des dimensions quasi équivalentes pour les deux parties c) Dans les installations à haute charge on augmente les dimensions de la roue centrifuge et on diminue les dimensions de la pompe à hélice. D'autres particularités et avantages seront décrits plus en détails ci-après dans la description de formes de réalisation de l'invention en se réfé- rant aux dessins dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe schéma tique d'une installation suivant l'invention ; les figures 2A et 2Breprésentent#deux formes de réalisation de la roue centrifuge la figure 3 est une vue en coupe longitu dinale d'une variante de réalisation de l'installation; la figure 3A est une coupe suivant la ligne A-A dans la figure 3. La figure 1 montre une installation munie d'un moteur électrique 1 monté sur une bride 2 sup portée par des entretoises 3 sur un anneau 4. Cet anneau est fixé à son tour sur la partie supérieure dlun flotteur 5. Le flotteur 5 est habituellement réalisé en une enveloppe métallique ou polyester armé, remplie de mousse polyuréthane 6. A l'extrémité de l'arbre 7 du moteur 1 est fixée une hélice 8 laquelle s'étend jusqu'en dessous du niveau de l'eau au travers d'une ouverture 9 prévue dans le flotteur 5 ou entre les flotteurs dans le cas d'une exécution avec plusieurs flotteurs. Autour de l'hélice 8 est aménagé un cylindre d'aspiration 10 lequel est muni vers le bas d'un cône d'aspiration 11 et éventuellement d'un stabilisateur par exemple en forme de croix 12 ou tout autre forme. Le bord supérieurdu cylindre d'aspi ration 10 est de préférence arrondi pour améliorer le passage hydraulique. Suivant l'invention, l'arbre 7 est égale ment pourvu d'une roue centrifuge 13 ou roue d'aéra tion composée essentiellement d'aubes hydrodynamiques 14 et d'une tette de diffusion ou déflecteur 15. Afin de supporter l'arbre moteur 7 qui est assez long, selon cette forme de réalisation, on peut prévoir un anneau anti-déflection 16 situé dans le centre et relié par des bras 17 à l'anneau de montage 4. Pour diminuer la résistance rencontrée par l'eau propulsée vers le haut contre l'anneau anti-déflection 16, on prévoit du côté inférieur de l'anneau 16, un déflecteur hydraulique 18. L'entraînement du ou des éléments mobiles A partir du générateur de puissance peut se faire à partir d'un arbre en une pièce ou par accouplement. Pendant le fonctionnement de l'installation, l'hélice 8 travaille comme une pompe axiale qui propulse le liquide vers le haut avec une vitesse (V19. Cette vitesse ne doit pas être aussi importante que pour les aérateurs de surface connus avec vitesse de rotation élevée, mais doit être par exemple suffisante pour amener le liquide au niveau de la roue centrifuge 13. Cette roue possède à sa périphérie une vitesse circonférentielle bien déterminée (V2).Les aubes 14 doivent être réalisées de telle manière qu'elles prennent en charge les courants de liquide montant verticalement et qu'elles les courbent graduellement suivant une spirale pour obtenir une composante horizontale à la sortie où la valeur de la vitesse de sortie (VR) doit correspondre en théorie à la résultante du courant vertical (V1) et de la vitesse circonférentielle (V2) de la roue 13 VR = V1 + V2 Suivant les possibilités de réalisation, les aubes 14 auront une forme plus ou moins simpli fiée dans laquelle les courants hydrodynamiques doivent se rapprocher le plus possible de l'équation montrée ci-dessus (figure 2A). C'est ainsi qu'on pourrait adopter des aubes droites disposées tangentiellement avec lesquelles on obtient un rendement moins élevé tout en simplifiant la construction (figure 2B). Les deux parties constitutives de l'agitateur peuvent être dimensionnées séparément afin de mettre l'accent soit sur la fonction mélangeur (pompe) soit sur la fonction d'aération (centrifuge). Par cette possibilité, on peut très bien adapter l'aérateur suivant l'application précise a) Dans les installations par lagunage aéré, où les boues sont activées à très faible et faible charge, l'accent est complètement mis sur la fonction mélange étant donné que l'énergie nécessaire pour le mélange dépasse largement l'énergie nécessaire pour l'aération. Les dimensions de la pompe à hélice 8 doivent donc être beaucoup plus importantes que celles de la roue centrifuge 13 . Dans un cas extrême on pourrait envisager l'application d'un aérateur avec uniquement la pompe à hélice. b) Dans les installations à boues activées à moyenne charge où l'énergie nécessaire pour le mélange est pratiquement égale à l'énergie nécessaire pour l'aération, la puissance disponible peut donc être partagée à parts égales entre la pompe à hélice et la roue centrifuge. c) Dans les installations à boues activées à haute charge, l'accent est complètement mis sur l'aération étant donné que l'énergie nécessaire pour l'aération dépasse largement celle pour le mélange. Les dimensions de la roue centrifuge sont donc plus importante que celles de la pompe à hélice. Dans le cas extrême on pourrait envisager l'application d'un aérateur avec uniquement la partie centrifuge, Une autre forme de réalisation est montrée aux figures 3 et 3A sur lesquelles les éléments identiques sont repris avec les mêmes références. La pompe à hélice 80et la roue centrifuge 130 (d'aération) sont combinées dans un seul corps agitateur. La partie pompe 80 s'étend jusqu'en dessous du niveau d'eau et aspire l'eau axialement vers le haut au travers du cône 11 et du cylindre d'aspira tion 10. La pompe à hélice peut être aménagée. égale ment comme une pompe auto-amorçante et disposée complètement ou partiellement au-dessus du niveau d'eau. La partie d'aération ou roue centrifuge 130 est située au-dessus de la partie pompe à hélice et tend à courber graduellement l'eau aspirée axiale ment vers une direction radiale en la dispersant sur la surface de l'eau par la force centrifuge. Cette partie d'aération peut éventuellement être complètement ou partiellement sous le niveau d'eau ou totalement au-dessus du niveau d'eau. Une particularité importante de cette forme de réalisation est que l'eau est continuelle ment guidée à partir de l'aspiration verticale jusqu'à la dispersion en substance horizontale. On peut également prévoir que l'eau n'est courbée que partiellement dans la roue cen trifuge et diffusée vers l'horizontal# par un stator ou déflecteur fixe. Les entretoises 30 reliant la bride 2 avec l'anneau de montage 4 ont de préférence la forme d'ailettes d'inversion pour recueillir par tiellement l'eau sortant sous un angle bien déterminé de manière à former une réaction contre la composante créée par la force de sortie centrifuge de l'eau. Par cette disposition on évite que le flotteur ou la structure sur lequel l'aérateur est monté soit soumis à un effort de rotation continu. L'installation suivant l'invention exécute par conséquent deux fonctions par un seul entraînement direct, c'est-à-dire - pomper (ou mélanger le liquide dans la station d'épuration) : suivant le principe d'une pompe axiale à hélice laquelle est parfaitement adaptée pour très grand débit et faible hauteur d'éléva tion ; on prendra soin de garder la vitesse de l'eau aussi basse que possible afin d'obtenir des rendements élevés - aérer (ou disperser avec apport d'oxygène) suivant le principe d'une turbine centrifuge avec une roue conique s'ouvrant graduellement pourvue d'aubes pour courber les courants d'eau de la direction verticale vers l'horizontale ; on obtient une vitesse de sortie du liquide équiva lente a celle d'aérateurs classiques tournant à des vitesses élevées mais avec un rendement plus élevé. Les installations décrites ci-dessus ne sont que des exemples de réalisation et d'autres formes d'exécution sont possibles sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. REVE#D I CATIONS 1. Installation destinée à mélanger un gaz avec un liquide et inversement pour dégazer un liquide,comprenant un générateur de puissance sur l'arbre moteur duquel est monté un agitateur, caractérisée en ce que l'agitateur comprend une partie inférieure formée par une pompe à hélice (8, 80) destinééà aspirer le liquide axialement vers le haut et une partie supérieure formée par une roue centrifuge à aubes (13, 130) destinée à imprimer une composante horizontale au liquide. 2. Installation suivant la revendication 1,caractérisée en ce que les deux parties de l'agitateur, c'est-àdire la pompe à hélice et la roue centrifuge à aubes forment un ensemble en une seule pièce (80-130). 3. Installation suivant la revendication 1,caractérisée en ce que le dimensionnement séparé de chaque partie de l'agitateur correspond à un rendement optimal pour chaque application, c'est-à-dire a) dans les installations par lagunage aéré, où les boues sont activées à très faible et faible charge,on augmente les dimensions de la pompe à hélice (8, 80) et on diminue les dimensions de la roue centrifuge (13, 130) b) dans les installations à boues activées à moyenne charge on adopte des dimensions quasi équivalentes pour les deux parties c) dans les installations à boues activées à haute charge on augmente les dimensions de la roue centrifuge (13, 130) et on diminue les dimensions de la pompe à hélice (8, 80). 4. Installation suivant la revendication 1,caractérisée en ce que la roue centrifuge (13, 130) est essentiellement formée par des aubes (14) de forme hydrodynamique qui sont reliées ou non à une tête de diffusion ou déflecteur (15). 5. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la roue centrifuge à aubes (13) est formée de telle manière que le liquide, qui est poussé vers le haut par l'hélIce (8), est capturé verticalement et courbé graduellement suivant une spirale afin d'obtenir une composante horizontale à la sortie où la vitesse de l'eau est fonction de la vitesse circonférentielle de la roue (13). 6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que la roue centrifuge (13) est munie d'aubes (14) disposées tangentiellement par rapport à la surface de la tête de diffusion (15). 7. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'autour de la pompe à hélice est aménagé un cylindre d'aspiration (10) muni vers le bas d'un cône d'entrée (11) et éventuellement un stabilisateur en forme de croix (12) ou autre, tandis que le côté supérieur du cylindre (10) est de préférence arrondi pour améliorer le passage hydraulique. 8. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'arbre moteur (7) est supporté par un moyen anti-déflection situé le long de l'arbre et en ce qutil peut être réalisé avec un accouplement. 9. Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le moyen anti-déflection est composé d'un anneau (16) relié par des bras (17) au cylindre d'aspiration (10) ou toute autre partie fixe de l'installation. 10. Installation suivant l'une des revendications 8 et 9,caractérisée en ce que du c8té inférieur du moyen anti-déflection ou anneau (16) est prévu un déflecteur de liquide (18) destiné à diminuer la résistance du liquide poussé vers le haut. 11. Installation suivant ltune quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les entretoises (3, 30) reliant la bride (2) du générateur de puissance (1) à l'anneau de montage (4) du cylindre d'aspiration (10) sont exécutées dans une forme de déflecteurs statiques permettant un changement de direction au liquide sortant. 12. Procédé pour mélanger un gaz avec un liquide et inversement pour dégazer un liquide dans lequel le liquide est en même temps mélangé et pourvu ou débarrassé de gaz, caractérisé en ce que le mélange est réalisé par l'aspiratiôn vers le haut du liquide par une pompe à hélice (8 > 80) ou toute autre pompe axiale équivalente et en ce que le liquide ainsi propulsé vers le haut est ensuite pris en charge par une roue centrifuge à aubes (13, 130) destinée à imprimer à partir d'une variation de direction en forme de spirale une composante horizontale au liquide afin de permettre aux particules de liquide d'absorber ou de libérer du gaz. 13. Procédé pour l'adjonction de gaz à un liquide ou pour le dégazage d'un liquide, caractérisé par l'utilisation d'une installation suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 11.