Brevet FR2557558A1 — publié le 19850705

- 1 - La présente invention concerne les filtres immergés à rem- plissage de matériau granulaire dans lesquels un liquide s'écoulant de bas en haut est mis en contact avec un gaz circulant également de bas de haut. Ces filtres sont utilisés en particulier pour l'épuration bio- logique des eaux résiduaires par "cultures fixées" et plus généralement toutes les fois o un gaz et un liquide circulent à co-courant ascendant au travers d'un matériau granulaire totalement immergé. Le procédé classique d'épuration biologique d'une eau par cultures fixées consiste à faire percoler cette eau au travers d'une masse granulaire colonisée par des micro-organismes épurateurs capables de bio-dégrader la matière organique qu'elle transporte. Cette bio-dégrada- tion ne peut se faire que si ces micro-organismes reçoivent un apport suffisant à leurs besoins énergétiques, leur reproduction et leur respira- tion endogène. La source d'oxygène est généralement constituée par de l'air atmosphérique, mais on peut également utiliser de l'oxygène pur ou de l'air enrichi en oxygène. Du fait de l'apport par l'eau à traiter de matières en suspen- sion, et en particulier du développement de la masse bactérienne inhérent au procédé, il se produit dans le temps un remplissage du volume inter- granulaire et donc un colmatage du milieu dont le nettoyage devient alors nécessaire. Les appareils de mise en oeuvre du procédé d'épuration doi- vent donc comporter un plancher-support du matériau granulaire équipé de buselures d'un type connu assurant un lavage efficace à l'eau et à l'air de ce matériau. La difficulté principale de mise en oeuvre de ce procédé dans un appareil fonctionnant en courant ascendant réside dans la néces- sité de répartir de façon homogène dans toute la masse de contact l'eau au sein de laquelle, dans des conditions d'aérobiose, prend naissance un important développement bactérien et l'air nécessaire au déroulement du procédé, les débits d'eau et d'air étant susceptibles de varier dans le temps. Cette distribution des deux fluides est indispensable pour le bon 2 - fonctionnement du procédé, une mauvaise répartition de l'eau à traiter entrainant une utilisation défectueuse de la totalité du volume de l'appa- reil et par voie de conséquence une dégradation des résultats d'épuration, une mauvaise répartition de l'air conduisant à la création de zones anaé- robies et donc également à une baisse d'efficacité de l'appareil. Pour assurer cette répartition, au moins deux solutions ont été jusqu'à présent proposées. Une première solution consiste à disposer au-dessus du plan- cher-support du milieu granulaire un collecteur ramifié perforé de dis- tribution d'air de traitement. Cette solution présente aunoins trois incon- vénients: - lorsque le débit d'air de traitement est faible ou lorsque l'installation est à l'arrêt, ce collecteur se remplit partiellement ou totalement d'eau brute, ce qui entraine l'obstruction à plus ou moins longue échéance des orifices de distribution par suite du développement bactérien qui s'y produit. - la présence d'un réseau de tuyauteries au-dessus du plancher-support du matériau granulaire perturbe l'écoulement des fluides au moment de son lavage dont l'efficacité est ainsi réduite. - la construction d'un appareil ainsi conçu est compliquée et onéreuse. Une deuxième solution permet théoriquement de suppléer au premier inconvénient de la première. Elle consiste à distribuer l'eau à traiter au-dessus du plancher par un collecteur ramifié et à introduire l'air de traitement sous le plancher au moyen de buselures. Le débit d'air de traitement pouvant être dix fois plus faible que celui d'air de lavage, sa distribution ne se fait que par une certaine fraction de la tota- lité des buselures qui comnportent, à la partie supérieure de leur tube débouchant à une quinzaine de centimètres sous le plancher, un trou calibré créant au passage de l'air une perte de charge telle qu'il se for- me sous ce plancher un matelas d'air d'épaisseur uniforme alimentant les seules buselures de distribution d'air de traitement. L'eau remplis- sant la capacité limitée par le plancher et le fond de l'appareil étant de 51558 - 3 - l'eau propre, il n'ya, en théorie, sous ce plancher, entre l'eau brute et l'air aucun contact susceptible de conduire à un développement bactérien entraiYant l'obstruction des orifices de distribution d'air. En fait, il a été constaté que, par suite de l'apparition d'un phénomène "d'air lift", il se produisait, en même temps qu'un pompage de l'eau propre au travers des buselures de distribution d'air de traite- ment une descente dans cette capacité d'un débit égal d'eau brute distri- buée au-dessus du plancher par le collecteur ramifié, de telle sorte que l'eau propre se trouvait être rapidement remplacée par de l'eau brute avec pour conséquence, un développement de biomasse dans le tube des buselures de distribution d'air de traitement, conduisant à l'obstruction progressive de leur orifice de passage de cet air. La conception du filtre suivant l'invention permet d'éviter tous les inconvénients que présentent les solutions proposées jusqu'à présent. Le filtre immergé suivant l'invention dont la matière filtrante consiste en un matériau granulaire contenu dans une cuve présentant un planchersupport pour le matériau granulaire de bas en haut duquel s'écoule le liquide à filtrer, mis en contact avec un gaz servant au trai- tement du liquide et circulant dans le même sens, le matériau filtrant étant lavé au moyen d'eau et d'air, est caractérisé en ce que le liquide à traiter, le gaz de traitement et les fluides de lavage sont introduits dans la masse filtrante et sous le plancher-support, au moyen de buse- lures équipant ce plancher-support et servant, les unes à l'introduction du gaz de traitement, les autres à l'introduction du liquide à traiter et des fluides de lavage du matériau filtrant. Suivant une caractéristique de l'invention, les buselures ser- vant à l'introduction du gaz de traitement sont agencées de façon à créer une perte de charge déterminant la formation, sous le plancher-support, d'un matelas de gaz tel que, en marche normale du filtre, les orifices que présentent les buselures servant à l'introduction du liquide à filtrer et des fluides de lavage du filtre se trouvent alors noyés dans un milieu constitué uniquement par le liquide à traiter et que, lors du lavage du 4- filtre ces mêmes orifices sont dénoyés pour permettre l'introduction dans le filtre des fluides de lavage, introduction également assurée par les autres buselures. Les divers caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront de la description qui va suivre d'une de ses formes possible de réalisation appliquée à un appareil servant au traitement d'eau suivant le procédé par cultures fixées. Au cours de cette description on se réfère aux dessins ci-joints sur lesquels: la Fig. I est une vue en coupe de l'appareil suivant l'invention la Fig. Z est une coupe à plus grande échelle d'un élément de plancher équipé de ses buselures. Comme le montre la Fig. 1 l'appareil suivant l'invention con- siste en une cuve 1 comportant à sa partie inférieure un plancher Z, support d'une masse granulair e 3. Ce plancher est équipé de deux types de buselures. Les buselures 4 du premier type servent à I'introduction dans la matière filtrante d'eau à traiter et des fluides de lavage. Celles, , du second type sont destinées à introduire, dans la même masse filtrante, l'air de traitement. Suivant l'invention les buselures 4 du premier type sont plus nombreuses, par exemple de 5 à 10 fois, que celles 5 du second type. Dans la chambre 6 située sous le plancher Z débouchent une tubulure 7 d'introduction d'eau à traiter, une tubulure 8 d'entrée d'air de traitement et une tubulure 9 d'introduction d'eau de lavage. La goulot- te 10 disposée à la partie supérieure de la cuve est destinée à la collecte de l'eau traitée et de l'eau de lavage de la matière granulaire filtrante. Sur la Fig. 2, qui est une coupe d'un élément du plancher 2 de la Fig. 1, apparaissent, également en coupe, une buselure 5 de distri- bution d'air de traitement et une buselure 4 de distribution d'eau à trai- ter et d'eau et d'air de lavage. Les buselures 5 du second type sont constituées, suivant l'in- vention, d'un tube 5a traversant le plancher Z et à l'intérieur duquel est réalisé un étranglement 5b servant de siège à un clapet 5c se présentant - de préférence sous la forme d'une bille métallique pouvant être éven- tuellement revêtue de matière plastique ou caoutchouteuse. L'extrémité supérieure du tube 5a débouche au-dessus du plancher à une distance d du siège 5b supérieure à celle d1 qui sépare celui-ci de la face supé- rieure dudit plancher. Elle est entourée d'une cloche Il comportant à sa partie inférieure une série d'orifices avantageusement réalisés sous forme de fentes 1 la et dont les dimensions sont telles que le matériau granu]airene puisse pas pénétrer à l'intérieur de la buselure. En choisissant convenablement les diamètres du tube 5a, de l'orifice 5b, de la bille 5c et la masse de cette dernière, la perte de charge d'une buselure 5, dans les limites de variation du débit d'air de traitement varie très peu car elle correspond pour l'essentiel à l'effort nécessaire pour soulever la bille de son siège. Par contre, au-delà de la valeur maximale du débit d'air de traitement, les restrictions que constituent l'étranglement 5b et le passage entre la bille 5c et le tube a créent une perte de charge proportionnelle au carré du débit. La perte de charge totale de la buselure devient alors nettement plus impor- tante. Les buselures 4 duprnemiertype, sont des buselures classiques de forme connue dont l'orifice d'entrée 4a d'air de lavage est disposé à une distance h de la face inférieure du plancher. Ces buselures compor- tent à leur partie inférieure une fente 4b par laquelle passe l'eau de lavage du filtre. Pendant la phase de marche normale de l'appareil, l'air de traitement est introduit sous le plancher oh il forme un matelas d'une épaisseur h1 toujours inférieure à la distance h séparant du plancher 2 l'orifice 4a de distribution d'air de lavage par les buselures 4. Cet air traverse le plancher en passant par les buselures 5 tandis que l'eau brute admise également sous ce plancher passe par les buselures 4 qui la répartisse dans la masse granulair e. L'orifice 4a et la fente 4b de ces buselures sont donc, en marche normale, immergés dans une eau pratiquement exempte d'oxygène o, de ce fait, un développement - 6- bactérien susceptible de les boucher ne peut se produire. Une fois la masse granulair e colmatée, on doit procéder à son lavage dont la première phase consiste en l'introduction simultanée sous le plancher d'air et d'eau propre. Pendant cette phase, compte tenu de l'importance du débit d'air par rapport à celui de traitement, la perte de charge créée par les buselures 5 prend une valeur telle que l'orifice 4a et une fraction de la fente 4b des buselures 4 sont dénoyés permettant ainsi le passage au travers de ces buselures de l'air de lavage qui se mélange ainsi à l'eau de lavage pénétrant dans ces buselures par leur orifice inférieur 4b. Pendant la phase de rinçage à l'eau seule qui suit cette pre- mière opération, l'eau introduite sous le plancher passe au travers de toutes les buselures, y compris celles, 5 de distribution d'air de traite- ment mais il s'agit alors d'eau propre ne contenant pas de matières sus- ceptibles de les boucher. L'invention permet donc de placer les buselures des deux types, que ce soit en marche normale du filtre ou pendant le lavage de ce dernier, dans des conditions qui, pratiquement, évitent leur colma- tage, le filtre présentant ainsi une efficacité maximale. Bien entendu l'invention n'est limitée, ni à sa forme de réa- lisation décrite et représentée, ni à son application, données uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs. 255?558 - 7 - REVENDICATIONS 1. Filtre immergé dont la matière filtrante consiste en un matériau granulaire contenu dans une cuve présentant un plancher- support pour le matériau gramulaire, de bas en haut duquel s'écoule le liquide à filtrer, mis en contact avec un gaz servant au traitement du liquide et circulant dans le même sens, le matériau filtrant étant lavé au moyen d'eau et d'air, caractérisé en ce que le liquide à traiter, le gaz de traitement et les fluides de lavage sont introduits dans la masse filtrante et sous le plancher-support au moyen de buselures équipant ce plancher- support(2), servant, les unes (5) essentiellement à l'introduction du gaz de traitement, les autres (4) à l'introduction du liquide à traiter et des fluides de lavage du matériau filtrant. Z. Filtre immergé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les buselures (5) servant principalement à l'introduction du gaz de traitement sont agencées de façon à créer une perte de charge déterminant la formation, sous le plancher-support (Z) d'un matelas de gaz tel que, en marche normale du filtre, les orifices (4a, 4b) que pré- sentent les buselures (4) servant à l'introduction du liquide à filtrer et des fluides de lavage du filtre se trouvent noyés dans un milieu constitué uniquement par le liquide à traiter et que, lors du lavage du filtre ces mrmes orifices sont dénoyés pour permettre l'introduction dans le filtre des fluides de lavage, introduction également assurée, concernant l'air de lavage,par les autres buselures (5). 3. Filtre immergé suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les buselures (5) introduisant le gaz de traitement dans le filtre consistent en un tube (Sa) présentant un étranglement servant de siège (5b) à un organe (5c) tel que bille, for- mant clapet, ledit tube étant coiffé d'une cloche (11) percée d'une plura- lité d'orifices tels que fentes (11a). -8 - 4. Filtre immergé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure du tube (5a) des buselures (5) débouche au- dessus du plancher-support (2) de matière filtrante à une distance du siège (5b) supérieure à celle qui sépare ce siège de la face supérieure dudit plancher. 5. Filtre immergé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les diamètres du tube (Sa) de l'orifice (5b), de l'organe (5c) formant clapet, ainsi que la masse de cet organe sont déterminés de façon à obtenir, pendant la marche normale du filtre, une perte de charge, variant peu, des buselures (5) correspondant à la formation d'un matelas de gaz, tel qu'air, isolant les buselures (4) de ce gaz, et, lors du lavage du filtre, une perte de charge considérablement accrue en vue de la formation d'un matelas de ce gaz, tel qu'air, suffi- samment important pour dénoyer les orifices (4a, 4b) que présentent les buselures (4) pour l'introduction des fluides de lavage. 6. Filtre immergé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pendant la marche normale du filtre, l'épaisseur du matelas de gaz, tel qu'air, est inférieure à la distance (h) séparant Ies orifices d'introduction (4a) de gaz, tel qu'air, que présentent les buselures (4) de la face inférieure du plancher-support (2) du matériau filtrant (3). 7. Application du filtre suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes au traitement d'eaux résiduaires par culturesfixées.