Brevet FR2557559A1 — publié le 19850705

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour faire circuler un liquide dans un récipient ou un bassin à l'aide de gaz introduit dans le liquide. Il est souvent nécessaire d'agiter des liquides contenus dans des récipients ou des bassins, ou passant par différents processus. Plus la masse de liquide augmente, plus l'utilisation d'agitateurs mécaniques est difficile, la consommation d'énergie étant également assez élevée. On contact également un procédé dans lequel des gaz sont introduits dans plusieurs colonnes de liquide délimitées par des tubes s'enfonçant dans le liquide, et où le mélange du gaz avec le liquide se produit en raison de l'effet airlift (allégement à l'air). Un exemple caractéristique en est décrit dans la DE-OS 2 032 280. Dans le procédé décrit dans ce document, on introduit du gaz dans des colonnes de liquide occupant 30 à 70 % de la section droite du récipient, réparties uniformément sur celle-ci, ce qui provoque une circulation du liquide en raison de l'établissement de trajets d'écoulement verticaux dans le volume de liquide. La rentabilité économique d'un procédé de mélange joue un rôle important dans divers procédés servant à clarifier les eaux usées, où l'on doit brasser ou faire circuler d'énormes quantités de liquide. Pour clarifier des eaux usées renfermant des matières organiques dégradables biologiquement avec de la boue activée, on alimente de façon continue en oxygène les eaux usées, en les brassant intensivement en permanence, ce que l'on fait en mettant les eaux usées en contact avec de l'air ou de l'oxygène. Les procédés connus et les installations pour les mettre en oeuvre se distinguent principalement par le mode d'alimentation en oxygène et de brassage du liquide et/ou de la boue activée qui y est en suspension. En plus des dispositifs d'agitation et d'aération de la surface du liquide, à axe horizontal et à axe vertical, on utilise depuis peu (pour améliorer la rentabilité économique de l'alimentation en oxygène et pour de plus faibles coûts d'investissement) des systèmes à aération en profondeur. Les mélangeurs statiques connus sous le nom de "Hélixor", ou "Kenics", décrits dans les Brevets US n0 3 452 966 et 3 852 384, sont des tubes de 1 à 1,5 m de haut, d'un diamètre de 0,3 m, comportant des éléments insérés en spirale. Ces agitateurs statiques sont disposés au fond du bassin en carré. La longueur du trajet de contact et, par suite, la durée de contact entre le liquide qui monte sous l'action des bulles d'air introduites sous les tubes et les bulles de gaz, est augmentée en raison des éléments en spirale. Par contre, la résistance des éléments en spirale diminue le faible effet de mélange des tubes courts. En même temps, les tubes ont tendance à se boucher fen particulier, en présence de matières fibreuses).Pour pouvoir obtenir un mélange et une alimentation en oxygène appropriés , il faut monter-un grand nombre d'agitateurs statiques, ce qui est coûteux et compliqué. Ainsi, par exemple, dans une phase de réalisation initiale du système de clarification des eaux, usées de la Société HOECHST, on a introduit au fond d'un bassin à cinq compartiments de 10 m de profondeur d'eau et de 3.000 m2 de surface de base, 2.400 ventilateurs "Kenics" (Chem. Ing. Tech. 50, 1978, n0 7, A 402). L'agitateur à électeur mis au point par la Société BAYER fonctionne de façon analogue à un éjecteur à eau, un compresseur comprimant l'air au niveau des éjecteurs placés au fond du bassin pour des raisons de rentabilité économique. Les éjecteurs sont montés par groupes à quatre embranchements et reliés aux canalisations de distribution d'eau et de gaz.On utilise un groupe, c'est-à-dire quatre éjecteurs, par mètre carré. A côté de la propagation favorable de l'oxygène, ce dispositif présente une tendance à se boucher et à former de la mousse, mais il nécessite en même temps un grand nombre d'éjecteurs, un par mètre carré (Chem.-Ing. Tech. 40, 1.968, n0 6, pages 288-291). L'invention a pour objet un procédé et un dispositif pour faire circuler des liquides qui, par rapport aux modes d'exécution connus, soient plus simples, garantissent une circulation plus intense et permettent en cas de besoin (par exemple, dans le cas de la clarification des eaux usées avec de la boue activée et des procédés par fermentation), une alimentation en oxygène économiquement rentable. En conséquence, l'invention a trait à un procédé pour faire circuler des liquides contenus dans un récipient ou un bassin à l'aide de gaz distribués dans le liquide, dans lequel on subdivise une partie du volume de liquide contenu dans le récipient ou le bassin en colonnes de liquides délimitées par des parois verticales et où l'on engendre, au moyen du gaz distribué au-dessous de la surface libre du liquide, dans les colonnes de liquide, des trajets d'écoulement verticaux suivant lesquels le liquide monte dans les colonnes de liquide et descend à l'extérieur de celles-ci. Selon l'invention, on disperse l'air ou d'autres gaz sur une surface qui représente au plus 15 % de la surface du liquide ou de l'aire de section droite libre du récipient ou du bassin, mais en représente, de préférence, 9 % au plus, ou mieux encore 5 % au plus, dans des colonnes de liquide de ce type réparties par groupes sur le récipient ou le bassin suivant une disposition telle que les intervalles libres entre les groupes soient supérieurs aux intervalles libres mutuels des colonnes de liquide à l'intérieur des groupes.Les parois verticales ou les tubes verticaux par lesquels les colonnes de liquide sont respectivement délimitées se terminent d'une part au voisinage du fond du récipient ou du bassin à distance au-dessus de ce fond et, d'autre part, au voisinage de la surface libre du volume de liquide contenu dans le récipient ou le bassin à la surface du liquide, ou au-dessus de celle-ci, ou bien au-dessous de celle-ci. De préférence, on règle l'intensité des trajets d'écoulement verticaux qui sont engendrés en raison de la montée verticale du liquide à l'intérieur des colonnes de liquide et de sa descente à l'extérieur des colonnes de liquide, par l'intermédiaire du débit du gaz introduit. L'alimentation en oxygène peut encore être accrue si l'alimentation des gaz est pulsée, du fait que l'oscillation des bulles de gaz dispersées augmente la turbulence. L'invention concerne en outre un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé, dans lequel un récipient ou un bassin contenant du liquide contient plusieurs tubes verticaux répartis à intervalles au-dessus du fond du récipient ou du bassin, ces tubes se terminant à la surface libre du liquide, au-dessous ou au-dessus de celle-ci, au moins un distributeur de gaz dispersant un gaz débouchant dans chacun des tubes au-dessous de la surface du liquide, de préférence au voisinage de l'extrémité inférieure du tube. La section droite des tubes peut être polygonale, ovale, circulaire ou annulaire, ou bien présenter une autre forme quelconque. On préfère cependant des tubes à section circulaire. Selon 11 invention, la section libre totale des tubes est de 15 % au plus, de préférence de 9 % au plus, notamment de 5 % au plus, de la surface libre du liquide. Les tubes sont rassemblés par groupes, répartis sur la surface du liquide à des intervalles supérieurs aux distances mutuelles des tubes à l'intérieur des groupes de tubes. Selon un mode d'exécution avantageux du dispositif selon l'invention, les parois verticales ou les tubes verticaux délimitant les colonnes de liquide sont étroitement resserrés à l'intérieur des groupes de tubes, les tubes mutuellement voisins pouvant être en contact. Dans ce mode d'exécution, les bords supérieurs des tubes verticaux séparant les colonnes de liquide se trouvent, de préférence,au voisinage de la surface du liquide au-dessous de celle-ci, de sorte que la masse de liquide ascendante monte au-dessus de la surface du liquide. La surface sur laquelle le liquide revient, c'est-d-dire le volume de liquide que fait circuler le groupe de tubes, augmente proportionnellement à la quantité de liquide soulevée audessus de la surface du liquide et à la hauteur à laquelle la quantité de liquide est soulevée au-dessus de la surface du liquide. Dans les cas où, en plus du brassage ou de la circulation, il faut également une alimentation en oxygène le dispositif est de préférence constitué de façon à laisser entre les tubes délimitant les colonnes de liquide qui se trouvent à l'intérieur d'un groupe de tubes des espaces libres, la surface de liquide de ces espaces libres à l'intérieur de l'enveloppe de la section droite du groupe de tubes, étant au plus égale au triple de la somme des sections libres des tubes de ce groupe. Dans un tel agencement, le liquide descend dans les espaces libres à l'intérieur des groupes de tubes à une vitesse plus grande que dans la zone extérieure au groupe de tubes et l'alimentation en oxygène a lieu, en raison de la turbulence des bulles gazeuses, dans des conditions plus favorables, à partir des bulles gazeuses entrainées ainsi dans la voie d'écoulement descendante. De préférence, on trouve à l'extrémité inférieure des groupes de tubes, à distance au-dessus du fond du récipient ou du bassin, un dispositif de guidage d'écoulement qui guide l'écoulement du volume de liquide libre, le long du fond, dans les ouvertures d'embouchure inférieure des tubes. Le dispositif selon l'invention,permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, est décrit ci-après à l'aide d'exemples d'exécution avantageux non limitatifs, en regard du dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une coupe verticale d'un dispositif ins tallé dans un récipient cylindrique ; - la figure 2 est une vue en coupe horizontale du disposi tif de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe verticale d'un autre mode d'exécution comportant également un récipient cylin drique ; - la figure 4 est une vue en coupe horizontale du disposi tif selon la figure 3 ; - la figure 5 est une vue de dessus d'un dispositif se trouvant dans un bassin de liquide - la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 5 ;; - la figure 7 est une vue en coupe verticale d'un ensemble d'agitation et d'aération du dispositif selon les figures 5 et 6 t - la figure 8 est une vue de dessus de l'ensemble de la figure 7. Dans tous les modes d'exécution, des tubes 3 à axe vertical sont placés dans le volume de liquide 2 délimité par un récipient ou un bassin 1, les tubes étant rassemblés par groupes et subdivisant une partie du volume de liquide 2 encolonnes de liquide 4 ouvertes vers le bas et vers le haut. Les bords inférieurs des tubes se trouvent dans la zone du fond du volume de liquide 2 à distance du fond, tandis que les bords supérieurs des tubes se trouvent au voisinage de la surface libre du liquide, au-dessous ou audessus de celle-ci. Pour les profondeurs d'eau les plus faibles, les extrémités supérieures des tubes se trouvent. à la surface du liquide, mais pour des profondeurs supérieures à 5 m, elles se trouvent au-dessous de la surface du liquide. Des distributeurs de gaz 5 dispersant du gaz se trouvent dans les tubes ; ils se raccordent à des canalisations de distribution de gaz 6. Les distributeurs 5 sont placés, en général, à l'extrémité inférieure des tubes 3. Cependant, il est également possible d'insérer les distributeurs dans une partie des tubes 3 située plus haut (pour pouvoir réduire la pression de gaz nécessaire). Dans certains cas, il peut être avantageux de disposer à l'extrémité inférieure des groupes de tubes des dispositifs de guidage d'écoulement qui guident le liquide des volumes de liquide libres vers l'embouchure inférieure des tubes. Dans le mode d'exécution des figures 1 et 2, un groupe de tubes en forme de faisceau de sept tubes contigus 3 est disposé dans l'axe du récipient cylindrique 1, le tube central étant entouré par six tubes extérieurs disposés en cercle. Chacun de ces tubes 3 comporte un distributeur de gaz 5. Ce groupe central est entouré concentriquement par un tube annulaire 3 de section droite annulaire, dont le diamètre de l'anneau est égal à environ 5 fois le diamètre du groupe de tubes central, et dont la largeur de l'anneau est un peu inférieure au rayon du groupe de tubes. Comme le montre la figure 2, une pluralité de distributeurs 5 sont répartis dans le tube annulaire le long de la ligne moyenne de l'anneau. Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, il y a en tout sept groupes de tubes comprenant chacun sept tubes 3 dans le récipient cylindrique 1. Un distributeur de gaz 5 débouche près de l'extrémité inférieure de chaque tube 3. Chacun des groupes de tubes comprend un tube central et six tubes extérieurs disposés en cercle autour du tube central. Le rayon du cercle est égal à environ 4 fois le rayon des tubes, de sorte qu'il est formé entre les tubes 3 des espaces libres ou intervalles dans lesquels un écoulement montant peut prendre naissance. Six groupes de tubes sont disposés en cercle autour d'un groupe de tubes central placé suivant l'axe du récipient.Le rayon du cercle est à peu près égal à quatre fois le rayon du cercle enveloppant de chaque groupe de tubes, de sorte que l'intervalle libre entre groupes de tubes voisins est à peu près égal au double du rayon de ce cercle enveloppant. Selon les figures 3 et 4 également, les extrémités supérieures des tubes 3 sont disposées à distance au-dessous de la surface libre du liquide, mais cette distance est supérieure à celle correspondant aux figures 1 et 2, où les tubes 3 débouchent à peu de distance au-dessous de la surface du liquide. Le dispositif des figures 5 et 6 comporte un bassin rectangulaire allongé 1 contenant le liquide, à l'intérieur 2 duquel se trouvent au total 24 groupes de tubes disposés à intervalles mutuels en six rangées le long du bassin. Les groupes de tubes sont constitués à la façon des groupes des figures 3 et 4.A l'extrémité inférieure de chaque groupe de tubes se trouve, comme le montrent clairement les figures 7 et 8, un dispositif de guidage 7 réalisé sous forme d'un tronc de pyramide creux aplati à quatre faces, comportant une surface de base sous-jacente située à faible distance du fond du bassin 1. Les extrémités inférieures des tubes 3 se trouvent dans le plan de l'ouverture supérieure du dispositif de guidage 7, tandis que l'extrémité supérieure des tubes 3 délimitant les colonnes de liquide 4 se trouve au niveau de la surface libre du liquide. Lorsque du gaz est amené par les distributeurs 5 se trouvant à l'extrémité inférieure des tubes 3, il s'établit des trajets d'écoulement suivant lesquels le liquide monte à l'intérieur des colonnes de liquide 4 et descend à l'extérieur des colonnes 4 dans les espaces libres 8 compris entre les tubes 3 et près de la périphérie du groupe de tubes suivant les flèches b montrées sur la figure 7, et à plus grande distance à l'extérieur du groupe de tubes, suivant les flèches a. Les courants de liquide correspondant aux flèches b pénètrent par l'ouverture supérieure du dispositif de guidage 7 directement dans l'extrémité inférieure des tubes 3, tandis que les courants de liquide correspondant aux flèches a contournent le bord extérieur du dispositif de guidage 7 et parviennent, sous celui-ci, aux extrémités inférieures des tubes 3. Les avantages du procédé et du dispositif selon l'invention ressortiront clairement de la description de deux exemples d'exécution non limitatifs qui va suivre. EXEMPLE 1 Dans une station servant à clarifier des eaux usées industrielles d'un débit de 2.550 m3/jour, on homogénéise, pour compenser les variations quantitatives et qualitatives quise produisent aux différentes heures, les eaux usées dans un récipient de 8 m de profondeur d'eau et d'une capacité de 2.000 m3. Pour la circulation, on incorpore, suivant la disposition des figures 3 et 4, 49 tubes répartis en sept groupes, d'une longueur de 4 m et d'un diamètre de 0,5 m. La surface libre du liquide se trouvant dans le récipient de 17,8 m de diamètre est de 250 m2, tandis que la section droite des colonnes de liquide 4 délimitées par les tubes 3 est au total de 9,6 m2 et représente, par suite, 3,8 % de la surface libre du liquide. L'amenée de l'air introduit à l'extrémité inférieure des tubes à un débit de 600 m3n/h, demande 18 kW, ce qui correspond à une puissance spécifique de 9 W/m3. Il passe au moins 44.000 m3/h d'eau par les tubes ; corrélativement, les eaux usées effectuent 22 trajets d'écoulement verticaux dans le récipient. Sous l'effet de la circulation, les eaux usées de composition variable amenées suivant la périphérie du récipient s'homogénéisent et sont évacuées suivant l'axe du récipient. EXEMPLE 2 On applique le procédé selon l'invention dans un bassin déjà existant, d'une capacité de 9.600 m3, qui sert à la clarification biologique préliminaire de 10.000 m3 d'eaux usées par jour, provenant de l'industrie de la chimie organique.Dans le bassin d'une surface de 60 x 40 m et d'une profondeur d'eau de 4 m , on monte 24 ensembles d'agitation et d'aération selon les figures 7 et 8, suivant une disposition correspondant aux figures 5 et 6. A chaque ensemble d'agitation qui comprend un groupe de sept tubes d'une longueur de 3,5 m et d'un diamètre de 0,65 m se raccorde à la partie inférieure un écran de guidage de 11 écoulement selon la réalisation des figures 7 et 8, dont les côtés ont pour longueur 5,8 x 5,8 m.La surface de sec tion droite des espaces libres existant entre les tubes 3 est de 2,3 m2 et correspond donc à la section droite totale des tubes 3. La section droite des 168 colonnes de liquide parcourues par du gaz, appartenant aux 24 ensembles d'agi tation, est de 56 m2, ce qui ne représente que 2,33 % de la surface libre du liquidé contenu dans le bassin. Une clarification préalable à 60 % des eaux usées ayant une DBO de 2,5 kg/m3 requiert 1 g/l de concentration en boue activée et 670 kg/h d'oxygène. A l'aide du débit d'air de 14.000 m3 n/h amené à l'extrémité inférieure des tubes 3, sous une surpression de 500 mbars, on obtient d'une part une dissolution de l'oxygène nécessaire dans les eaux usées et, d'autre part, une circulation de 370.000 m3/h d'eaux usées au travers des tubes. Cela signifie que le volume d'eau se trouvant dans le bassin circule 38,5 fois par heure, ce qui implique, sous les plaques de guidage de l'écoulement, une vitesse au fond d'au moins 0,5 m/s. La quantité d'eau débitée avec une puissance mécanique de 260 kW correspond au moins au double de la quantité d'eau débitée par 24 ventilateurs de surface disposés de façon analogue, qui demandent cependant une puissance de 480 kW pour amener la quantité d'oxygène nécessaire. La rentabilité économique du procédé selon l'in vention et la simplicité de structure du dispositif selon l'invention ressortent clairement des exemples ci-dessus. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour faire circuler un liquide dans un récipient ou un bassin à l'aide de gaz introduit dans le liquide, dans lequel on subdivise une partie du volume de liquide contenu dans le récipient ou le bassin en colonnes de liquide délimitées par des parois verticales et dans lequel on engendre au moyen du gaz amené au-dessous de la surface libre du liquide dans les colonnes de liquides des trajets d'écoulement suivant lesquels le liquide monte dans les colonnes de liquide et descend à l'extérieur de cellesci, caractérisé en ce que les trajets d'écoulement verticaux sont produits de façon telle que la somme des sections droites des colonnes de liquide est au plus de 15 %, de préférence au plus de 9 %, en particulier au plus de 5 % de la surface libré du liquide, et en ce que l'on répartit les colonnes de liquide sur la surface libre du liquide par groupes dont les distances mutuelles sont supérieures aux distances mutuelles des colonnes de liquide à l'intérieur des groupes. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle l'intensité des trajets d'écoulement verticaux par l'intermédiaire du débit du gaz introduit. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz est introduit de façon pulsée. 4.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, dans lequel plusieurs tubes verticaux sont disposés dans un récipient ou un bassin contenant le liquide, à distance au-dessus du fond du récipient ou du bassin,les tubes débouchant à la surface du liquide, au-dessous ou au-dessus de celle-ci, un distributeur de gaz au moins débouchant dans chacun des tubes au-dessous de la surface du liquide, caractérisé en ce que la section droite libre totale des tubes (3) est au plus de 15 %, de préférence au plus de 9 %, en particulier au plus de 5 % de la surface libre du liquide, et en ce que les tubes (3) sont rassemblés par groupes de tubes répartis sur la surface du liquide à des intervalles mutuels supérieurs aux intervalles mutuels des tubes à l'intérieur des sroupes 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tubes (3) d'au moins une fraction des groupes de tubes sont étroitement serrés les uns contre les autres. 6.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tubes (3) d'au moins une fraction des groupes de tubes sont disposés à des distances mutuelles telles que la surface libre du liquide entre les tubes (3) du groupe de tubes est au plus égale au triple de la section droite libre totale des tubes (3) du groupe de tubes. 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'un dispositif de guidage de l'écoulement (7) est disposé à l'extrémité inférieure des groupes de tubes à distance du fond du récipient ou du bassin (1).