Brevet FR2512432A1 — publié le 19830311

La présente invention concerne les techniques d'épuration biologique et a notamment pour objet un procédé d'épuration biologique d'eaux de canalisation. Elle peut trouver application à l'épuration des eaux de canalisation industrielles résultant de diverses productions. On connais différents procédés d'épuration biologique, par exemple les procédés consistant à introduire l'eau de canalisation, ainsi que de l'oxygène obtenu par un procédé d'adsorption ou cryogénique, dans un réacteur dans lequel on réalise une aération et un mélange de l'eau de canalisation avec une boue activée. Dans le réacteur se déroule un processus biochimique d'épuration de l'eau. Au fur et à mesure de l'accumulation, dans le mélange gazeux, du gaz carbonique se formant au cours dudit processus, on effectue un soufflage dudit mélange. Le mélange de boue est dirigé vers un séparateur de boue à partir duquel la boue activée est ramenée dans le réacteur, tandis que l'eau épurée est évacuée du système (brevet USA NO 3547815, cl. 210-7, 1970 ; brevet USA NO 3547814, cl. 210-7, 1970). Les procédés mentionnés se caractérisent par l'utilisation d'installations difficiles à exploiter, notamment d'installations d'adsorption ou cryogéniques permettant d'obtenir un oxygène technologique dont le degré de pureté est de 95 à 98%, et exigeant une consommation élevée d'énergie et un personnel de service hautement qualifié, ce qui complique la technologie et de ce fait rend ces procédés peu rentables. Outre cela, les procédés précités n'assurant pas un haut degré d'épuration des eaux de canalisation. On connaît aussi un procédé d'épuration d'eaux de canalisation contenant des impuretés consistant en des substances organiques rejetées provenant de production chimique. Le procédé indiqué est réalisé de la manière suivante. L'eau de canalisation est introduite dans un réservoir de traitement à l'oxygène qui est pourvu d'un décanteur pour la boue activée. Dans l'espace au-dessus du mélange d'eau à épurer et de la boue activée on introduit de l'air enrichi en oxygène et obtenu par une méthode cryogénique ; à cet effet on refroidit l'air atmosphérique jusqu'à de basses températures (cryogéniques), on le liquéfie, on évapore partiellement de l'azote et on envoie oxygène concentré à l'état gazeux dans le réservoir de traitement à l'oxygène. Dans le mélange réactionnel ont lieu une absorption de l'oxygène, une transformation des impuretés organiques en matières inoffensives (gaz carbonique et eau) et la séparation d'une partie du gaz carbonique en phase gazeuse.Le mélange gazeux qui se forme et quicontient de l'oxygène non entré en réaction, ainsi que du gaz carbonique et de l'azote, est envoyé dans un système d'épuration en vue d'en éliminer le gaz carbonique. Le système d'épuration est constitué par deux adsorbeurs comportant un tamis moléculaire en zéolithe ou du charbon activé. L'épuration est effectuée dans les adsorbeurs à tour de rôle. Dans l'un des adsorbeurs on débarrasse le mélange de gaz carbonique tandis que dans l'autre adsorbeur on réalise simultanément la régénération du sorbant par chauffage de ce dernier. Le mélange gazeux débarrassé de gaz carbonique est renvoyé dans lsoxytank. Au fur et à mesure de l'épuration, l'eau clarifiée est évacuée du décanteur (brevet Grande-Bretagne NO 1401874, cl. CIC, 1975). Ce procédé d'épuration biologique comprend les stades suivants : refroidissement de l'air atmosphérique jusqu'à des températures cryogéniques, évaporation et rejet de l'azote gazeux, évaporation de l'oxygène liquide, amenée d'oxygène gazeux ou d'air enrichi en oxygène dans un réservoir de traitement à l'oxygène, épuration biolo gigue de l'eau en vue de la débarrasser des matières organiques, épuration du mélange gazeux par adsorption du gaz carbonique dans deux adsorbeurs fonctionnant alternativement (dans un adsorbeur est réalisée l'épuration, et dans l'autre, la régénération du sorbant) et retour du mélange gazeux dans le réservoir de traitement à l'oxygène. Le procédé mentionné est compliqué à mettre en oeuvre du point de vue technologique, il réunit deux opérations technologiques fondamentalement différentes l'une de l'autre par leur caractère physique, à savoir une méthode cryogénique d'obtention d'oxygène et une méthode d'épuration de gaz carbonique par adsorption. Outre cela, le procédé exige un? appareillage compliqué pour sa mise en oeuvre, nécessite souvent des mesures de précaution préventives (remplacement du sorbant), entraine une consommation d'énergie élevée. Ainsi, par exemple, l'épuration de 200 m3 de gaz de recyclage en vue de le débarrasser du gaz carbonique doit s'effectuer dans des adsorbeurs au silicagel d'une capacité de 0,9 m3, la régénération de sorbant devant être effectuée toutes les 6 heures. Pour réaliser chaque régénération il faut consommer 105 kW.h d'énergie. Dans le cadre de l'invention on s'est donc proposé, en modifiant les opérations technologiques, de créer un procédé d'épuration biologique des eaux de canalisation qui permettrait de simplifier la technologie,exigerait un appareillage plus simple pour sa réalisation et assurerait une réduction des dépenses d'énergie. Le problème ainsi posé est résolu du fait que le procédé d'épuration biologique des eaux de canalisation, du type comprenant un traitement des eaux de canalisation avec de la boue activée et avec de l'air enrichi en oxygène, une séparation du mélange obtenu de boue activée et d'eau, une épuration du mélange gazeux formé destinée à en éliminer le gaz carbonique, et son retour dans le mélange réactionnel, caractérisé, suivant l'invention, en ce que ledit traitement des eaux de canalisation avec de la boue activée et de l'air enrichi en oxygène obtenu par diffusion de l'air à travers des membranes en polymère sélectives vis-à-vis de l'oxygène et l'élimination du gaz carbonique du mélange gazeux formé est effectuée par diffusion à travers des membranes en polymère sélectives vis-à-vis du gaz carbonique,-avec retour subséquent du mélange gazeux épuré dans le mélange réactionnel. Il est préférable d'utiliser en qualité de membranes en polymère des membranes asymétriques en polyvinyltriméthyl-silane dont l'épaisseur de la couche de diffusion est de 0,1 à 0,2 m. Le procédé conforme à l'invention, grace à l'utilisation d'une nouvelle opération, à savoir, une diffusion sélective des gaz à travers des membranes, permet d'effectuer en continu le processus d'obtention d'air enrichi en oxygène à partir de l'air atmosphérique, en combinaison avec une élimination plus simple du gaz carbonique du mélange gazeux, suivie d'un retour dans le mélange réactionnel de l'oxygène n'ayant pas réagi. Le procédé proposé est de mise en oeuvre simple, est effectué à la température du milieu ambiant, n'exige pas l'utilisation d'un appareillage compliqué et de sorbants coûteux, exclut la mise en oeuvre en plusieurs stades. L'appareillage de diffusion est simple et de faible inertie. Le temps de mise au régime de travail est de 2 minutes, tandis que le procédé connu exige à peu près une heure. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemplesnon limitatifsavec références au dessin unique annexé qui illustre schématiquement une installation permettant de mettre en oeuvre le procédé proposé. L'installation comprend un oxytank 1 comprenant un réacteur 2 équipé d'un mélangeur 3, un décanteurséparateur de boue 4, un tube 5 d'arrivée de l'eau de canalisation dans l'oxytank et un tube 6 d'évacuation de l'eau épurée. Dans le couvercle du réservoir de traitement à l'oxygène 1 est prévu un tube 7 servant à évacuer le mélange gazeux se formant lors du déroulement du processus et contenant du gaz carbonique, de l'oxygène et de l'azote, ainsi qu'un tube 8 pour le retour dans l'oxytank du mélange gazeux débarrassé du gaz carbonique. Le système est pourvu d'un appareil de diffusion 9 comportant des membranes en polymère hautement perméables 10, sélectives vis-à-vis de l'oxygène, et un appareil de diffusion Il comportant des membranes en polymère 12 sélectives vis-à-vis du gaz carbonique. On introduit en continu dans le réacteur 2, à travers le tube 5, l'eau de canalisation à épurer en même temps, l'air atmosphérique arrive dans l'appareil de diffusion 9 ; une partie de cet air, en pénétrant à travers la membrane, s'enrichit en oxygène et est envoyée à travers le tube 8 dans le réacteur 2, tandis que la partie de l'air qui n'est pas passée à travers la membrane et dont la concentration en azote est élevée, est rejetée à l'atmosphère. Dans le réacteur 2, l'eau de canalisation, au moyen du mélangeur 3, est mélangée avec de la boue activée en présence de l'air enrichi en oxygène. Ici a lieu une épuration biochimique de l'eau, suivie du dégagement d'une partie du gaz carbonique en phase gazeuse. Le mélange réactionnel obtenu arrive en continu dans le décanteur-séparateur de boue 4, dans lequel se produit une séparation de la boue activée et de l'eau, l'eau épurée étant évacuée du système à travers le tube 6 et la boue activée étant ramenée dans le réacteur 2. A partir du réacteur le mélange gazeux contenant de l'oxygène, du gaz carbonique et de l'azote arrive à travers le tube 7 dans l'appareil de diffusion Il comprenant une membrane en polymère 12 qui est sélective vis-à-vis du gaz carbonique. Le gaz carbonique passant librement à travers la membrane est rejetée à l'atmosphère, tandis que le mélange gazeux épuré retourne dans le réacteur. Le procédé proposé permet de simplifier la technologie, d'exclure l'utilisation de stades multiples, de simplifier l'appareillage utilisé, de réduire la consommation d'énergie. Ainsi, par exemple, d'après les données obtenues au cours des essais du procédé proposé, les dépenses spécifiques d'énergie nécessaires à l'obtention de l'air 3 enrichi en oxygène constituent 0,1 kW.h par m3 de gaz contenant 3596 d'oxygène, c'est-à-dire 0,286 kW.h par m3 de O, ou 0,204 kW.h par kg de 02. Dans le procédé connu, les dépenses spécifiques d'énergie constituent 0,58 à 1,34 kW.h par m3 de 02 ou 0,41 à 0,95 kW.h par kg de 02. En cas d'utilisation d'oxygène cryogénique selon le procédé connu au cours du processus d'épuration son taux d'utilisation efficace est de 85 à 95% et les dépenses spécifiques d'énergie consommée pour réaliser l'épuration biologique sont de 0,45 à 1,05 kW.h par kg de consommation biologique de l'oxygène. En cas d'utilisation du procédé proposé pour, par exemple, l'épuration d'eaux de canalisation contenant de l'acétone, le taux d'utilisation efficace de l'oxygène est de 50 à 60%. Les dépenses spécifiques d'énergie nécessaires à l'épuration biologique des eaux constituent 0,34 kW.h par kg de consommation biologique d'oxygène, lesdites dépenses étant de 1,3 à 3,1 fois inférieures aux dépenses d'énergie en cas d'utilisation du procédé cryogénique. Pour une meilleure compréhension de la présente invention, on donne ci-dessous un exemple concret mais non limitatif de mise en oeuvre du procédé proposé d'épuration biologique des eaux de canalisation. Exemple A travers le tube 5 on introduit en continu dans le réacteur 2 de l'eau polluée, la consommation biologique d'oxygène à 300 mg/l étant de 10000 m3/24 heures. En même temps, on fait arriver dans l'appareil de diffusion 9 de l'air atmosphérique, dont une partie, en pénétrant à travers la membrane asymétrique en polyvinyltriméthylsilane 10 à couche de diffusion d'une épaisseur de 0,1 à 0,2ksi, est enrichie en oxygène#jusqu'à 40% et envoyée à travers le tube 8 dans le réacteur 2 avec un débit de 580 m3 débit de 580 m3/heure. L'air n'ayant pas pénétré à travers la membrane et dont la concentration en azote est élevée, est évacué à l'atmosphère.Dans le réacteur 2, où s'effectue le mélange de l'eau polluée avec de la boue activée en présence d'air enrichi en oxygène, a lieu l'épuration biochimique de l'eau avec dégagement d'une partie du gaz carbonique en phase gazeuse. Le mélange réactionnel arrive en continu dans le décanteurséparateur de boue 4 et la boue activée quittant le décanteur retourne dans le réacteur, tandis que l'eau épurée est évacuée du système à travers le tube 6, la consommation biologique de l'oxygène étant de 15 mg/l. Le mélange gazeux sortant du réacteur et contenant de l'oxygène, du gaz carbonique et de l'azote arrive à travers le tube 7 dans l'appareil de diffusion Il comportant une membrane asymétrique en polyvinyltriméthylsilane à épaisseur de couche de diffusion de 0,1 à 0,24 > m. Le gaz carbonique, en passant librement à travers la membrane avec un débit de 8 m3/heure est évacué à l'atmosphère et le mélange gazeux épuré retourne dans le réacteur. REVENDICATIONS 1. Procédé d'épuration biologique d'eaux de canalisation du type comprenant un traitement des eaux de canalisation avec une boue activée et de l'air enrichi en oxygène, une séparation du mélange obtenu de boue activée et d'eau, une épuration du mélange gazeux formé pour le débarrasser du gaz carbonique, et un retour dudit mélange dans le mélange réactionnel, caractérisé en ce que l'on effectue ledit traitement des eaux de canalisation avec de la boue activée et de l'air enrichi en oxygène obtenu par diffusion de l'air à travers des membranes en polymère sélectives vis-à-vis de l'oxygène et que l'élimination du gaz carbonique du mélange gazeux formé s1 effectue par diffusion à travers des membranes en polymère sélectives vis-à-vis du gaz carbonique, avec retour subséquent dans le mélange réactionnel du mélange gazeux débarrassé du gaz carbonique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en qualité de membranes en polymère on utilise des membranes asymétriques en polyvinyltriméthyl-silane dont l'épaisseur de la couche de diffusion est de 0,1 à 0,2 Alm. 3. Eau résultant de l'épuration biologique d'eaux de canalisation, caractérisée en ce que ladite épuration est réalisée conformément au procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 et 2.