Brevet FR2508338A1 — publié le 19821231

La présente invention concerne les filtres à remplissage de matériau granulaire dans lesquels le liquide à traiter S 'écoulant de haut en bas à travers le matériau granulaire totalement immergé, est mis en contact avec un gaz circulant de bas en haut à travers ledit matériau granulaire. Ces filtres sont utilisés en traitement des eaux de toute nature, en particulier pour réaliser la nitrification des eaux, processus consistant à provoquer par action de bactéries spécifiques l'oxydation de l'azote organique et ammoniacal en nitrites puis en nitrates Ces bactéries ne se développant qu'en milieu aérobie, le processus de nitri- fication implique la dissolution dans l'eau à traiter d'une certaine quantité d'oxygène, fonction du débit d'eau à traiter et de la quantité d'azote à oxyder La quantité requise d'oxygène, en provenance de l'air atmosphérique par exemple, est donc introduite dans le filtre, générale- ment l'air est injecté de bas en haut du filtre à travers le remplissage de matériau granulaire. Du fait de la croissance bactérienne inhérente au processus de nitrification, il se produit dans le temps un colmatage du matériau granulaire qu'il est nécessaire de nettoyer par un lavage à l'eau et à l'air. Ces filtres à remplissage de matériaux granulaires se pré- sentent sous la forme d'une enceinte en béton par exemple ouverte vers le haut comportant, disposé à une certaine distance du fond de l'enceinte, un plancher supportant le matériau filtrant totalement immergé, l'eau à traiter circulant de haut en bas à travers le lit de matériau granulaire et sortant au-dessous du plancher Ce plancher est équipé de buselures permettant l'introduction de l'eau et de l'air destinés au lavage du filtre par circulation de bas en haut à travers le matériau filtrant. Dans ces appareils connus la distribution du gaz nécessaire au développement du processus de nitrification se fait habituellement par un système de tuyauteries perforées disposé au-dessus du plancher à buse- lures au travers duquel est drainée l'eau ayant traversé de haut en bas le matériau granulaire. Ces appareils présentent plusieurs inconvénients: leur construction est coepliquée Il faut en effet disposer au sein du matériau granulaire un réseau de tuyauteries; ce réseau étant soumis à des efforts plus ou moins importants suivant l'état de colmatage du filtre il est en outre nécessaire de le supporter. La distribution du gaz de nitrification par un réseau de -2- tuyauteries ne permet d'en assurer la bonne répartition que si son débit ne s'écarte pas trop de la valeur initialement prise en compte lors du calcul de ce dispositif Il est évident que pour l'économie du système,ce débit de gaz doit être ajusté au débit d'eau à traiter et à la quantité d'azote à oxyder, paramètres variables de l'installation de traitement Un tel ajustement, qui ne doit pas porter atteinte au résultat qualitatif du traitement, ne peut être obtenu que si la répartition du gaz dans la masse granulaire reste correcte lorsque son débit décroît, sinon il se formerait localement au sein de cette masse des zones anaérobies préju- diciables à la vie des bactéries nitrifiantes, et donc à la qualité du traitement, et oeci d'autant plus que la croissance bactérienne étant arrêtée dans lesdites zones, elles constituaraientdes sites de moindre colmatage o l'eau à traiter aurait tendance à s'écouler préférentielle- ment. La présence d'un réseau de tuyauteries au-dessus du plan- cher support du matériau granulaire perturbe l'écoulement des fluides au moaent de son lavage et nuit donc à l'efficacité dudit lavage. La présente invention a pour objet un filtre à remplissage de matériau granulaire qui remédie aux inconvénients des dispositions décrites ci-dessus et adoptées jusqu'à présent. Le filtre suivant l'invention comporte des mtoyens permet- tant au plancher à buselures support du matériau granulaire d'assurer simultanément le drainage de l'eau s'écoulant de haut en bas du filtre et la distribution du gaz, air, air enrichi en oxygène ou oxygène,circulant de bas en haut du filtre et permettant la nitrification de l'eau à traiter. Le filtre suivant l'invention, dont l'élément filtrant consiste en un matériau granulaire disposé dans une enoeinte, sur un plancher-support prévu à une certaine distance du fond de l'enceinte, et délimitant avec ce dernier une chambre dans laquelle le liquide filtré est collecté par des buselures noyéesdans le matériau filtrant, le liquide à traiter s'écoulant de haut en bas, étant mis en contact avec un gaz circulant de bas en haut du matériau granulaire, lequel est lavé à contre courant à l'eau et à l'air, est essentiellement caractérisé en ce que le plancher- support de matériau granulaire est muni de deux sortes de buselures A et B assurant simultanément, les unes A la collecte du liquide filtré dans la chambre formée par le plancher support du matériau granulaire et le fond de l'enceinte, les autres B la distribution du gaz de bas en haut à travers le matériau granulaire, les unes et les autres assurant ensemble la distribution de l'eau et de l'air pendant la phase 3- de lavage à contre-courant. Les buselures A et-B comportent de façon connue une tète perforée émergeant au-dessus du plancher dans le remplissage de matériau granulaire, et une tige creuse plongeant dans la chambre située au-des- sous du plancher et dans laquelle est collecté le liquide filtré et introduit le gaz à distribuer à travers le matériau granulaire ainsi que l'air et l'eau de lavage; les tiges des buselures A et B sont munies d'orifices différents par leur nombre et leur position: les buselures A ont une tige munie de deux orifices dont l'un en forme de fente; les buselures B ont une tige munie d'un orifice supérieur et d'une pluralité n d'orifices inférieurs étagés, séparés par une certaine distance de l'orifice supérieur et dont le plus bas est disposé à un niveau supérieur à celui des deux orifices de la tige des buselures A. La section des orifioes des tiges des buselures B est telle que la pression du gaz introduit dans la chambre sous le plancher, au- dessus du liquide filtré, est toujours inférieure à la perte de charge créée par la vanne de sortie du liquide filtré, disposée de façon connue dans un canal latéral en communication avec la chambre de collecte du liquide filtré. Dans une disposition avantageuse de l'invention, les n orifices inférieurs étagés de la tige des buselures B sont équidistants et de sections égales S. Dans une autre disposition de l'invention, les N orifices de la tige des buselures B sont confondus en une seule fente de section n S. Le niveau du liquide à filtrer est maintenu constant au- dessus du remplissage de matériau granulaire par un réglage automatique de l'ouverture de la vanne de sortie du liquide filtré. Pendant la phase de lavage à contre-courant à l'air et à l'eau du matériau colmaté, l'eau et l'air sont introduits simultanément dans la chambre située au-dessous du plancher; l'eau à la partie infé- rieure, l'air à la partie supérieure; l'épaisseur de la couche d'air est telle que l'ensemble des buselures le distribue de manière uniforme à travers le matériau colmaté, le débit d'air utilisé dans cette phase de fonctionnement du filtre pouvant être jusqu'à dix fois supérieur au débit utilisé au mont de la filtration. La description qui va suivre en référence aux figures an- nexées permettra de mieux comprendre l'invention, décrite ici dans son application à un filtre pour la nitrification des eaux, l'exemple choisi 4 - ne limitant en rien la portée de l'invention qui peut être mise en oeuvre toutes les fois o un gaz et unliquide circulent à contre-courant au travers d'un matériau granulaire totalement imnergé. La figure 1 est une coupe transversale de l'appareil La figure 2 est une coupe longitudinale La figure 3 est une vue partielle à plus grande échelle, du plancher équipé de ses buselures J Dans l'exemple traité, l'appareil se présente sous la forme d'une enceinte de section rectangulaire ou carrée. Cnne connu, le filtre coarporte, disposé à une certaine hauteur au-dessus du fond de l'enceinte, un plancher 1 équipé de buselures 2 et supportant une charge de matériau granulaire 3 dont le niveau supérieur est à la distance H de la face inférieure du plancher La chambre 4 comprise entre cette face et le fond de l'enceinte, est en communication avec un canal 5, à sa partie supérieure par une série d'orifices 6 et à Sa partie inférieure par d'autres orifices 7 Les orifices supérieurs 6 sont destinés à distribuer sous le plancher 1 l'air nécessaire au procédé de nitrification et celui requis pour le lavage du matériau granulaire 3, les orifices inférieurs 7 servant en marche normale, à la collecte de l'eau traitée et en lavage à la distribution de l'eau nécessaire pour cette opération Au-dessus de ce canal 5, une goulotte 8 assure l'amenée de liquide à traiter sur la masse granulaire, ainsi que la reprise de l'eau de lavage distribuée sous le plancher 1 pendant l'opération correspondante. Ainsi que le montre la figure 2, la tubulure 9 de sortie d'eau traitée du canal 5 est équipée d'une vanne 10 dont l'ouverture est cmmandée, à partir du signal donné par un capteur 11 qui mesure le niveau de l'eau dans l'enceinte, par un régulateur 12 de façon à maintenir ce niveau à une cote fixe h au-dessus du matériau granulaire, quel que soit le débit d'eau traité et/ou l'état de colmatage du matériau granulaire dans les limi- tes permises par l'hydraulique du système, 1 'axe de ladite vanne étant à la distance h 2 du dessous du plancher 1. Suivant la figure 3, le plancher 1 est équipé de deux sortes de buselures 13 et 14 dont les têtes 15 et 16 sont identiques, et dont les tiges 17 et 18 sont de même longueur et de même diamètre intérieur La tige 17 de la buselure 13 est percée à sa partie supérieure d'un orifice 19 de section S 1 et à une distance "a" de son embase sur une longueur "b" d'une série de "n" orifices 20 étagés, qui peuvent avantageusement être d'égale section S 2 et équidistants Suivant une autre forme de l'invention, ces - 5 - orifices peuvent être remplacés par une fente de section N x S 2. La tige 18 de la buselure 14 comporte à une distance "c" de son embase telle que c> a + b, un orifice 21 de section S 3, et, suivant une disposition classique, à sa partie inférieure une fente 22. Pendant la phase de marche normale de l'appareil, l'eau circulant de haut en bas au travers de la masse granulaire 5 est recueillie au niveau du plancher 1 par les buselures du type 14 alors que l'air nécessaire au procédé de nitrification qui circule de bas en haut est introduit sous le plancher 1 et pénètre dans la masse granulaire au tra- vers des buselures du type 13. Pendant la phase de lavage à l'eau et à l'air du matériau granulaire colmaté, les deux fluides qui circulent alors de bas en haut sont distribués par les deux types de buselures. La description, qui va suivre, du fonctionnement d'un filtre équipé de N 1 buselures du type 13 et de N 2 buselures du type 14 permettra de mieux saisir le principe de l'invention. L'eau à traiter admise au-dessus de la masse granulaire 3 par exemple par la goulotte 8, la traverse et pénètre dans la chambre 4 au travers des buselures 14 et 13 -tout au moins concernant ces dernieres, en début de cycle- De cette chambre, elle s'écoule par les orifices 7 dans le canal 5 d'o elle est évacuée à l'extérieur au travers de la tubulure 9 et de la vanne 10 Le degré d'ouverture de cette vanne 10 est réglé par le régulateur 12 à partir de l'indication donnée par le capteur de niveau 11 de façon à maintenir constante la distance h 1 entre le plan d'eau dans le filtre et le niveau de la matière granulaire 3 Lorsque l'appareil se trouve en début de cycle, et donc propre, en désignant par A Pm, la perte de charge exprimée en mètre de colonne d'eau consécutive à l'écoulement de l'eau au travers de la masse granulaire, jl la perte de charge au passage des buselures 14, j 2 celle due à l'écoulement dans la tubulure 9, ces deux pertes de charge étant également exprimées en mètre de colone d'eau, ag euele en suppos que a restitution de l'eau par cette tubulure se fait à la au niveau de son axe pression atmosphérique,/la distance h 1 sera maintenue constante s'il y a égalité entre le débit d'eau qui entre dans l'appareil et celui qui en sort, ce qui suppose la création par la vanne 10 d'une perte de charge égale à l'excès de charge disponible pour le débit entrant dans l'appareil. Le degré d'ouverture de cette vanne sera donc réglé automatiquement par le régulateur 12, de telle sorte que pour ce débit, elle crée une perte de charge égale à H + h 1 + h 2 (J 11 + i 2 +a Pm). 6 - L'air de nitrification est introduit à la partie supérieure du canal 5 dans lequel il circule à contre courant de l'eau traitée et pénètre dans la chambre 4 par les orifices supérieurs 6, sous le plancher 1 o la pression est H + h 1 (jl + 4 pm) La tubulure 9 étant déterminée de telle sorte que sa perte de charge j 2 soit très faible devant h 2, la pression sous le plancher 1 étant inférieure à la perte de charge créée par la vanne 10, l'air a tendance à s'échapper par les orifices 19 percés à la partie supérieure des tiges 17 des buselures 13 Du fait de la perte de charge créée par le passage de l'air dans ces orifices, il s'établit sous le plancher un matelas d'air d'épaisseur h 3 dans lequel règne une pression égale à H + h 1 + h 3 (j + 4 Pm) La section totale N 1 x S 1 des orifices 19 est déterminée de telle sorte que l'épaisseur h 3 du matelas d'air soit suffisante pour penrmettre pour le débit minimal d'air de nitri- fication une alimentation uniforme de toutes les buselures du type 13, et donc une distribution homogène de l'air au sein du matériau granulaire. Si le débit d'air nécessaire à la nitrification vient à augmenter, la hauteur h 3 s'accroît jusqu'à découvrir un ou plusieurs des orifices 20 La distance entre ces orifices est déterminée de telle sorte que, ccpte tenu des défauts d'horizontalité du plancher, la différence, d'une buselure à l'autre, du naxbre d'orifices débitant de l'air ne soit pas supérieure à 1 Le nacbre d'orifices est, quant à lui, défini ca Tpte tenu de la précision recherchée pour l'équirépartition du débit d'air: plus ce nombre est grand, meilleure est cette équirépartition Par ail- leurs, la section totale des orifices des types de buselures 13 N 1 (s 1 + N S 2) est déterminée de façon à ce que, pour le débit maximal d'air de nitrification correspondant à l'épaisseur h 3 maximale du matelas d'air, cette épaisseur est telle que les orifices 21 des buselures 14 ne soient pas dénoyés L'air de nitrification est dans ce cas distribué exclusivement par les buselures du type 13. Il a été constaté qu'il en était bien ainsi et que dès que les buselures 13 débitent de l'air, elles ne participent plus à la reprise de l'eau Bien au contraire, il a été trouvé que par suite de la création d'un phénomène d'air-lift à l'intérieur de leur tige 17, il s'établit dans ces buselures un courant d'eau ascendant De l'eau est ainsi ramenée de la chambre 4 au-dessus du plancher 1 au travers des buselures 13 et retourne dans cette mnme chambre au travers des buselures 14. Lorsque le matériau granulaire se colmate du fait du développerent de la culture bactérienne, la vanne 10 de sortie d'eau s'ouvre de telle sorte que la diminution de sa perte de charge qui en 7 - résulte cctpense exactement l'accroissement de la perte de charge du matériau granulaire Lorsque la valeur maxinale admiseûm de la perte de charge de ce matériau est atteinte, le degré d'ouverture de la vanne 10 est tel qu'elle crée une perte de charge égale à H + h + h 2 (il + i 2 + Apm) La pression de l'air sous le plancher est alors H + h 1 + h 3 - (il +A Pm)' et cmre h 2 j 2 est toujours supérieur à h 3, cette pression demeure inférieure à la perte de charge créée par la vanne 10 et l'air introduit sous-le plancher 1 continue à passer par les orifices des buse- lures 13 et à circuler naturellement de bas en haut au sein du matériau granulaire. Le matériau granulaire étant colmaté, on doit procéder à son lavage qui se fait de manière connue en le soumettant à un courant ascen- dant simultané d'eau et d'air. Pour ce faire, la vanne 10 ayant été préalablement fermêe, de l'eau et de l'air sont envoyés dans le canal 5, l'eau pénétrant dans la chambre 4 par les orifices inférieurs 7 et l'air par les orifices supérieurs 6 Du fait que le débit d'air de lavage est supérieur à celui de nitrification, il se forme sous le plancher 1 un matelas d'air d'épais- seur supérieure à la valeur maximale de h 3, ce qui fait que l'orifice 19 3 et les "n" orifices 20 des N 1 buselures 13, ainsi que l'orifice 21 et une partie S 4 de la fente 22 des N 2 buselures 14 se trouvent être dans la ihase gazeuse. Dans ces conditions, si q est le débit maximal d'air de nitrification et Q le débit d'air de lavage, en adoptant pour N 1 la valeur N 1 = (N + N 2) , et pour la section S 3 de l'orifice 21 et celle s 4 de la partie découverte de la fente 22 des valeurs qui vérifient l'égalité S + ns 2 = S 3 + S 4, on constate que toutes les buselures débitent sensiblement la mrme quantité d'air L'eau de lavage pénètre dans les tiges de buselures qui sont de diamètres identiques par leurs extrémités inférieures on obtient ainsi un lavage homogène de toute la masse granu- laire. -8 - REVENDICATIONS 1 Filtre pour liquides à élément filtrant constitué par un matériau granulaire disposé, dans une enceinte ouverte vers le haut, sur un plancher-support prévu à une certaine distance du fond de 1 'en- ceinte et délimitant avec ce fond une chambre dans laquelle le liquide filtré est collecté par des buselures noyées dans le matériau filtrant, le liquide à traiter, s'écoulant de haut en bas étant mis en contact avec un gaz circulant de bas en haut du matériau granulaire, lequel est lavé à contre-courant à l'eau et à l'air, ce filtre étant caractérisé en ce que le plancher-support de matériau granulaire est muni de deux sortes de buselures (A) et (B) assurant simultanément, les unes (A-14) la collecte du liquide filtré dans la chambre ( 4) délimitée entre le pla nchersupport ( 1) du matériau granulaire ( 3) et le fond de l'enceinte, les autres (B-13) la distribution du gaz de bas en haut à travers le matériau granu- laire, les unes et les autres assurant ensemnble pendant la phase de lavage à contre-courant la distribution de l'eau et de l'air de lavage. 2 Filtre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est introduit dans la chambre ( 4) de façon à créer, sous le plancher-support ( 1) de matériau granulaire, un matelas de gaz destiné à l'alimentation des buselures (B-13). 3 Filtre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tiges des buselures des deux types (A) et (B) sont munies d'orifices différents par leur nombre et leur position: la tige des buselures de type A ( 14) présentant un orifice supérieur ( 21) et une fente ( 22) alors que, les tiges des buselures B ( 13) sont munies d'un orifice supérieur ( 19) et d'un certain nombre (n) d'orifices inférieurs étagés ( 20) séparés de l'orifice supérieur par une certaine distance, le plus bas de ces orifices étant prévu à un niveau supérieur à celui de 1 'orifice le plus haut ( 21) de la tige des buselures A ( 14). 4 -Filtre suivant l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que les (n) orifices inférieurs étagés ( 20) de la tige des buselures B ( 13) sont équidistants et de section (s) égale. Filtre suivant 1 'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les (n) orifices inférieurs étagés ( 20) de la tige des buselures B ( 13) se présentent sous la forme d'une fente de section N x s. _ 9 _ 6 Filtre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section totale (N 1 x S 1) des orifices supérieurs ( 19) des buselures (B) est déterminée de façon à ce que l'épaisseur h 3 du matelas de gaz soit suffisante pour permettre, pour le débit minimal de gaz, une alimentation uniforme de toutes les buselures (B) et donc, une distribution homogène du gaz au sein du matériau granu- laire. 7 Filtre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section totale des orifices des buselures (B) est telle que pour un débit maximal de gaz introduit sous le plancher, les orifices des buselures (A) restent inmmergés dans le liquide filtré. 8 Filtre suivant l'une quelconque des revendications précedentes, cmportant un réglage automatique de l'ouverture de la vanne ( 9) de sortie du liquide filtré de façon à maintenir constant le niveau du liquide au-dessus du matériau granulaire, caractérisé en ce que ce réglage est assuré par un capteur ( 11) du niveau du liquide à traiter, auquel est asservie, par l'intermédiaire d'un régulateur ( 12) une vanne ( 10) disposée sur la tuyauterie de sortie du liquide filtré.