Brevet FR2551049A1 — publié le 19850301

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil pour la réalisation de procédés biologiques aérobies submergés. Plus particulierement, elle concerne la réalisation en continu de procédés microbiologiques aérobies > ltmergés - par exemple, le traitement biologique des eaux résiduelles, effectué avec une boue activée - et la circulation et la sortie des microorganismes requis et également un appareil pour mettre en oeuvre ce procédé. Des substances organiques dissoutes sont tout d'abord decomposees par des microorganismes aérobies, selon les méthodes connues de traitement des eaux résiduelles effectué a l'aide de boue activée. Conformément aux méthodes connues, l'approvisionnement en oxygène des microorganismes et sa distribution dans les eaux résiduelles, sont obtenus avec divers moyens d'aération superfieielle. Ces méthodes peuvent strie utilisées de façon economiqlle pour purifier des eaux résiduelles peu contaminées, par exemple les eaux d'égouts communales. Cependant, la puri purification d'eaux résiduelles industrielles riches ensubstances organiçues-de même que celles qui proviennent de procédés de fermentation à l'échelle industrielle- requiert l'utilisation d'une plus grande masse de microorganismes (boue activée), si bien que l'apport en oxygène et les besoins en agitation sont augmentés également. Dans le cas ou des moyens d'aération superficielle sont utilisés pour la purification d'eaux résiduelles fortement contaminées, la consommation spécifique d'énergie de 1'apport en oxygène devient notablement supérieure à celle qui est nécessaire pour des eaux d'égouts communales et les volumes importants à t-raiter augmentent également les coûts du traitement.A titre d'exemple de ce qui précède, on remarque qu'alors la consommation énergétique spécifique d'une aération superficielle est de 0,45 à 0,55 kwh/kg O2 pour la purification d'eaux d'égouts peu contaminées seulement, elle atteint 0,7 - 0,8 kWh/kg O2 pour des eaux résiduelles industrielles fortement contamines. Comme le volume d'oxygène augmente également, les colts de l'aération deviennent encore supérieurs Une aération superficielle présente un autre inconvénient en ce qu'elle convient pour réaliser l'aération uniforme de bassins n'ayant qu'une profondeur d'eau limitée (ne dépassant pas 3 - 4 m) et pour cette raison, la structure utilisée pour réaliser la purification offre une grande aire de base.Elle présente d'autres inconvénients, tels qu'une forte odeur nauséabonde, une formation de brouillard et de liquide pulvérisé et un risque de congélation. L'utilisation du système dit "d'aération profonde" (BAYER TURMBIOLOGIE ; HOECHST BlOHOCH REAKTOR) a pris de l'importance1 pour éliminer les inconvénients ci-dessus des aérateurs superficiels, dans la purification d'eaux résiduelles industrielles fortement contaminées. Comme la profondeur d'eau est beaucoup plus grande, on peut disposer dans ces procédés, d'une économie notable d'espèce et simultanément, la durée de séjour des bulles d'air devient plus longue et donc la quantité d'oxygène dissous augmente.Ces procédés sont effectués dans des cuves d'acier en carbone qui sont moins coûteuses et peuvent être plus simplement construites que la structure de béton armé et en même temps, ils permettent la mise en oeuvre de méthodes modernes pour établir des surfaces de phase et pour agiter le liquide dans la cuve/ Hydrocarbon Proc. 191 - 195 (1980) ; Chem. Ing. Tech. 52, 930 - 932 (198Q7 Il en résulte que la consommation énergétique spécifique dans les cuves à aération profonde, se monte à 0,25 - 0,40 kwh/kg 02, ce qui est beaucoup plus favorable que celle que l'on obtient dans les aérateurs superficiels, bien que l'air introduit doive être comprimé à un taux qui dépend de la profondeur de l'eau /Chem. Ing. Tech. 52, 330 - 331 (1980)7. Les cuves à aération profonde présentent un autre aspect caractéristique dans la mesure où l'espace de décantation de la boue constituant une indispensable partie de l'équipement de boue activée biologique, est construit avec la cuve et disposé concentriquement à la partie supérieure extérieure de celle-ci, afin de gagner de la place et d'utiliser l'énergie de position de l'eau déjà montée. Sur la périphérie de l'espa- ce de décantation, on forme un certain nombre de "tronçons" coniques ou pyramidaux pour la sortie de la boue ou bien un compartiment plus grand équipé de plateaux inclinés de déviation, favorisant le glissement de la boue, afin d'assurer une sortie uniforme de celle-ci. Ces deux mises en oeuvre se traduisent par la formation d'espaces morts, augmentent les coûts d'investissement et rendent le fonctionnement aléatoire. Lors du traitement des eaux résiduelles effectué avec une boue activée, l'eau purifiée par des microorganismes délivre une masse de microorganismes depuis l'espace d'aération, la quantité de cette masse correspondant au débit et à la concentration de la boue. La quantité de la masse de microorganismes ainsi délivrée est plusieurs fois supérieure à celle qui est formée dans la purification biologique des eaux résiduelles en circulation et donc, pour maintenir la concentration de la boue de l'aérateur, il faut recycler dans l'aérateur une partie de la boue séparée dans l'espace de décantation - à l'exception de la boue en excès formée -. Le courant de boue recyclée est ajouté au courant d'eaux résiduelles fraî- ches et pour cette raison, on préfère remettre en circulation la masse de boue requise depuis l'espace de décantation, avec un courant d'eau minimum.C'est pour cela que l'on augmente la concentration de la boue dans l'espace de décantation de 1,5 à 2,5 fois par rapport à la valeur initiale, en effectuant une sédimentation. En pratique, on utilise un recyclage supplémentaire de 0,8 à 2 fois de boue - par rapport aux eaux résiduelles fraîches introduites - en fonction des propriétés caractéristiques de la boue. Selon des procédés connus de boue activée, on utilise et on fait fonctionner de grands volumes de décantation et une capacité de pompage convenable pour obtenir une boue plus épaisse si possible. Conformément à un aspect essentiel du procédé de la présente invention à la fin de la procédure microbiologique aérobie, on n'introduit pas plus de 1,1 fois de courant de liquide à traiter et à introduire sur le manteau de l'espace d'aération symétrique en cercle, à l'axe de l'espace d'aération, dans un espace de décantation concentrique disposé audessus et à l'extérieur de l'espace d'aération et communiquant avec celui-ci.Les microorganismes séparés par décantation libre (non-empêchée) de cet espace, sont remis en circulation dans l'espace d'aération le long de la périphérie in férieure, le courant de liquide purifié déborde à la partie supérieure de l'espace de décantation, tandis que pendant ce temps, les microorganismes formés en continu dans l'espace aéré (boue en excès) sont éliminés à l'aide du courant liquide quittant l'axe de l'espace aéré et sont concentrés sépariment. Grâce à ce procédé, on peut maintenir la concentration de la boue de l'espace d'aération, d'une façon simple à l'aide d'un courant de liquide représentant au plus 15 % du volume de liquide à traiter.La somme de la quantité de courant de liquide traité quittant l'espace de décantation et de la boue en excès sortant, est toujours identique à la quantité de courant de liquide à traiter et à introduire dans le système. Ainsi, le volume de liquide représentant au plus 1,1 volume, envoyé dans l'espace de décantation est supérieur de 10 % de la somme du volume introduit et de la quantité du courant de boue en excès par rapport au courant de liquide traité débordant à la partie supérieure de l'espace de décantation. Ce liquide en excès étant d'au plus 15 % du liquide introduit retourne dans l'espace d'aération au fond de l'espace de décantation avec la boue diluée et il est toujours suffisant pour maintenir l'équilibre hydraulique du système. En conséquence, il ne faut aucun épaississement de la boue au fond de l'espace de décantation et en même temps, on peut facilement faire passer la masse de boue séparée du liquide traité, dans l'es- pace d'aération au prix d'une performance du pompage notablement plus petite que celle qui est demandée habituellement. Conformément au procédé de la présente invention, on peut introduire le courant de fluide brut à traiter, les éléments nutritifs et des agents auxiliaires dans le procédé microbiologique au voisinage du manteau de la cuve aérée ou le long d'autres cercles concentriques. De cette façon, on peut réaliser le gradient de concentration formé pendant l'écoulement radial. Le gradient de concentration peut également être modifié par la disposition en groupes des courants de gaz introduits dans l'espace a#ré selon des cercles concentriques et par la régulation séparée de l'approvisìon- nement en gaz de chaque groupe aussi. On peut mettre en oeuvre de l'air ou un gaz ayant une teneur accrue en oxygène dans les divers procédés microbiologiques aérobies. On peut chauffer ou refroidir le gaz avant de le faire entrer dans le système ou l'appareil, de la même façon que les liquides. L'énergie de position des gaz introduits dans l'espace d'aération au fond de la cuve généralement à travers des conduits de distribution concentriques, peut être exploitée pour agiter le contenu de la cuve selon le principe de la "montée d'air". En même temps, on disperse ou, si cela est désiré, on soumet à une pulsation, les courants de gaz introduits afin d'obtenir un transfert d'oxygène et un contact convenable. Il est souvent nécessaire de ne pas rejeter directement à l'air libre les gaz utilisés dans des procédés microbiologiques aérobies, pour des raisons d'odeur déplaisante et de risques d'infection, mais de les collecter et de les éliminer, si cela est désiré, après une post-purification. On utilise pour cette raison, dans certains cas, un espace d'aération ferme. A l'aide de cylindres de déviation concentriques disposés dans la cuve d'aération fermée et allant en dessous du niveau du liquide, on peut diriger les gaz, parallèlement ou à contre-courant par rapport au courant de liquide allant dans la direction radiale ; de cette façon l'on introduit les gaz quittant l'espace liquide dans la section d'espace consécutive, à l'aide d'une machine opératrice intermédiaire. Ce couplage est particulièrement avantageux lorsqu'on emploie des gaz enrichis en oxygène et dans des procédures dans lesquelles la demande en oxygène change fortement avec le temps. Il arrive souvent dans des procédures microbiologiques aérobies que la masse de microorganismes ne puisse pas être facilement séparée du liquide. Dans le cas de la purification des eaux par la boue activée, un tel phénomène est le "gonflement" de la boue, résultant de diverses manoeuvres de surcharge et de léger empoisonnement. Pour surmonter cette difficulté et faciliter la séparation, on utilise, conformément à la présente invention, divers additifs - par exemple, des agents coagulants et des polyélectrolytes. Les avantages de la présente invention peuvent être résumés de la façon suivante - les microorganismes entraînés avec le liquide traité envoyés à travers l'espace d'aération, peuvent être recyclés par l'utilisation d'un petit volume de liquide dans l'espace d'aération et distribués uniformément le long de la périphérie de l'équipement d'une façon simple ;; - la sédimentation de la masse de microorganismes ne requiert pas la présence d'agent épaississant la boue et ainsi du volume peut être gagné - la masse de microorganismes formée en continu (boue en excès) peut être concentrée dans des conditions favorables à partir d'une petite portion du liquide qui ne représente pas plus du dixième du volume introduit - la boue active est rapidement recyclée dans l'espace d'aération, permettant d'éviter des procédures anaérobies - la masse de microorganismes recyclée à partir de l'espace de décantation dans l'espace d'aération, peut être de préférence aérée avant d'être mélangée au liquide à traiter - l'espace aéré peut fonctionner, soit en tant que réacteur à cuve agitée, soit en tant que réacteur à écoulement transitaire ou une combinaison de ceux-ci - le gradient de concentration du liquide se dépla çant dans l'espace d'aération en direction radiale, peut être simplement régulé par l'introduction de liquide et d'air. Le procédé conforme à la présente invention convient particulièrement pour le traitement biologique par une boue activée d'eaux résiduelles fortement contaminées et pour la réalisation à l'échelle industrielle de technologies de fermentation en continu. La section verticale de l'appareil convenant à la réalisation du procédé de la présente invention est représentée dans les Figures 1 et 2. La Fig. 1 illustre un aspect caractéristique de l'équipement, tandis que la Fig. 2 montre une mise en oeuvre spécifique de celui-ci. Il faut noter que l'invention englobe un certain nombre de mises en oeuvre dans le cadre de celle-ci. L'appareil est décrit en référence à la Fig. 1. La cuve 10 cylindrique et conique est divisée par la chambre d'air 11 cylindrique et conique de séparation, en deux sections communicant l'une avec l'autre par la fente 5 qui se prolonge le long de la périphérie. Le procédé microbiologique aérobie est effectué dans l'espace 12, situé en-dessous de la chambre d'air 11. On introduit de préférence l'air ou le gaz enrichi en oxygène dans des tubes 13 et 13a qui sont ouverts à la fois en leurs extrémités supérieure et inférieure. Ces tubes sont disposés en groupes en fonction du but recherché. Les microorganismes sont séparés du liquide traité dans l'espace 19, autour de la chambre d'air 11. Les microorganismes séparés sont recyclés dans l'espace 12 à travers la fente 5. Le liquide à traiter est introduit en continu dans l'espace d'aération 12 à travers le conduit 1, les plateaux de distribution et les circuits de jonction 9 et/ou 9a le long d'un ou de plusieurs cercles concentriques. Le liquide à traiter est mélangé aux points d'entrée avec le contenu de la cuve à l'aide d'air ou de gaz enrichi en oxygène introduit dans les tubes 13 d'agitation et de contact. Le liquide à traiter est fourni avec la quantité d'oxygène requise pour les procédures microbiologiques aérobies avec écoulement radial. Le gaz nécessaire à la procédure microbiologique et à l'agitation est introduit à travers le conduit 2 de l'armature et sa quantité peut être contrôlée à l'aide de soupapes d'alimentation 2, disposées de préférence le long de cercles concentriques dans chaque série de tubes.Le courant de liquide introduit dans les conduits 9 traverse la cuve en étant agité, dans la direction radiale vers l'axe de cette cuve, dans lequel on conduit une quantité mesurée 3 de liquide contenant des microorganismes sur le plateau distributeur 15 à l'aide de la montée d'air 14 ou d'un quelque autre moyen commode, après quoi on l'envoie à travers des conduits 16 et des tubes d'entrée 17 dans l'espace de décantation entouré par des parois 10 et 11 disposées concentriquement par rapport à l'espace d'aération. Les microorganismes quittant l'espace de décantation sont dirigés, tandis que la sédimentation est laissée libre (non-empêchée), à travers là fente 5, directement dans l'espace d'aération dans lequel peuvent être activés les microorganismes si cela est nécessaire, à l'aide de la série de tubes 13a la plus proche du manteau, avant d'entrer en contact avec le liquide brut. Les microorganismes (boue en excès) étant formés en continu dans le procédé microbiologique, sont distribués de préférence dans le courant 3, envoyés à travers le conduit 6, vers l'épaississeur de boue 20 qui fonctionne de façon connue. Le courant de liquide 4 clarifié dans l'espace de décantation de l'appareil est éliminé par l'intermédiaire de la rigole du trop plein 18. Les gaz quittant le procédé microbiologique sont réunis et éliminés par le conduit 7 et purifiés, si cela est nécessaire. Conformément à la Fig. 2, l'espace de gaz de l'appareil est divisé en sections par des enveloppes cylindriques concentriques 22, disposées dans l'espace d'aération 12 et plongeant dans le liquide. Les gaz quittant les espaces de gaz séparés sont transportés dans la section de contact avec agitation consrcutive dans la direction radiale vers l'intérieur ou vers l'extérieur et ainsi les gaz passent selon un courant parallèle ou à contre-courant par rapport à l'écoulement radial du liquide. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complé ment de description qui va suivre, qui se réfère à un exemple de mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention. Il doit être bien entendu, toutefois que cet exemple de mise en oeuvre, est donné uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont il ne constitue en aucune raníère une limitation. EXEMPLE On a établi un équipement ayant un volume de 1720 cm3 cet une profondeur d'eau de 7,5 m pour réaliser la purification d'eaux rësiduelles par une boue activée. Cet équipement est divisé par une chambre d'air ll en un espace d'aération (1380 cm ) et en un espace de décantation (340 cm3). Soixante tubes de contact avec me'ange sont construits dans l'espace d'aération.Le conteru liquide de espace d'aération est agité au moyen de ces tubes, par l'exploitation de l'énergie de position du gaz Introduit en bas, tandis que l'oxygène nécessaire à la procédure microbiologique est dissous dans les eaux résiduelles et prend part au procédé de purification. Les eaux résiduelles purifIées biologiquement sont envoyées dans l'espace de décantation à l'aide de la montée d'air 14, à travers dix-huit tubes d'entrée disposés uniformément sur la périphérie de l'espace de décantation 19. Les eaux résiduelles à traiter sont constituées par 54 m3/h d'eaux résiduelles brutes provenant de diverses technologies de fabrication de pesticides. Les eaux résiduelles brutes sont d'abord neutralisées, équilibrées qualitativement et approvisionnées en éléments nutritifs, puis introduits dans l'espace d'aération de l'équipement, à travers le conduit 9 le long du manteau. Le degré moyen de contamination des eaux résiduelles s'élève à 5700 g/m ;DCO demande chimique en oxygène), et celle-ci est éliminée avec une efficacité moyenne de 90 %. On introduit 3750 m /h d'air sous une pression de 1,85 bar dans l'espace d'aération, distribués par trois conduits d'armature concentriques. La concentration moyenne de la boue de l'espace aéré s'élève à 4,5 kg/m et le rendement en boue en excès est de 26 kg/h. On conduit 54 m3/h d'eau contenant de la boue à l'air de de la montée d'air 14, de l'espace aéré à l'espace de dé cantation, d'où on retire 47 - 48 m m3/h d'eau purifiée débar- rassée de boue, par l'intermédiaire de la rigole du trop-plein. L'excès de boue formée dans le procédé biologique est aussi éliminée à l'aide de la montée d'air 14 au moyen d'un courant d'eau de 6 - 7 m3/h, en fonction de la concentration de la boue. La boue est décantée et concentrée dans un petit appareillage selon des méthodes connues. La boue Çenviron 260 kg/h) précipitant à partir de l'eau purifiée quittant le trop-plein, passe le long du manteau de l'apparei3 avec un courant de 6 - 7 m3/h d'eau et est ré-introduite dans l'espace d'aération par la fente 5. Ce courant de liquide descendant est suffisant pour maintenir l'équilibre hydraulique du système. A titre de comparaison, voici le volume de matière de Espace d'aération et de l'unité de sédimentation des procédés connus - entrée des eaux résiduelles dans l'espace d'aération 54 m3/h ; - courant d'eau requis pour recycler la boue concentrée à 9 ka/,3 à partir de l'espace de décantation : 48 m3/h, - courant d'eau requis pour éliminer la boue en excès: 3 - 3,5 m3/h - volume de l'espace de décantation concentration 3 400 m La comparaison démontre sans ambiguité les avantages suivants du procédé de la présente invention - il n'est pas nécessaire d'épaissir la boue activée qui se décante, avant de la recycler dans l'espace d'aération, ainsi, on peut économiser environ 15 % du volume de l'espace de décantation - le recyclage de la boue provenant de l'espace de décantation est simple et le volume du courant de liquide ne représente que 15 % de celui qui est utilisé dans les procédés connus, si bien que la capacité de pompage requise est plus petite en proportion. Le volume de l'appareil requis pour la décantation et l'épaississement de la boue en excès est faible, proportionnellement à la quantité de limon en excès ; en même temps, l'espace de décantation séparé permet l'utilisation de ces technologies et de ces additifs dans la décantation de la boue en excès, qui exercent un effet favorable sur le procédé d'épaississement. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, 1 'inven- tion 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 continu pour la réalisation de procédés biologiques aérobies submerges, dans une cuve pour l'aération des microorganismes, cette cuve ayant un axe vertical et une section droite circulaire et dans un espace de décantation situé à l'extérieur de cette cuve, le long de sa périphérie supérieure, caractérisé en ce qu'on introduit le courant de liquide brut à traiter, les éléments nutritifs et des agents auxiliaires dans la cuve au voisinage du manteau de la cuve aérée ou sur le manteau de celle-ci et qu'on les distribue le long d'autres cercles concentriques, tandis qu'on agite et met le liquide contenant les microorganismes en contact avec des courants éventuellement soumis à des pulsations d'air ou de gaz enrichis en oxygène distribués au fond de la cuve ;On introduit à partir du liquide contenant les microorganismes, un volume ne dépassant pas 1,1 volume du ou des courants liquides envoyés dans le système, à l'axe de la cuve aérée, cette introduction étant effectuée le long de la périphérie de la cuve dans la zone de décantation ; on recycle les microorganismes séparés du liquide au cours d'une sédimentation libre (non empêchée) à la partie inférieure de espace de décantation dans l'espace aéré, tandis que déborde le courant de liquide débarrassé de microorganismes à la partie supérieure de l'espace de décantation , on élimine les microorganismes formés en continu dans l'espace aéré (boue en excès) à l'extérieur du système, à l'aide du courant de liquide entraîné à l'axe de la cuve et l'on sépare ceux-ci du liquide. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose de façon séparée les courants de gaz introduits dans la cuve le long de cercles concentriques et qu'on régule séparément l'apport en gaz des groupes distincts. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on chauffe ou refroidit le liquide et/ou les gaz avant des les ~introduire dans le procédé. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on dirige les gaz à contrecourant ou en parallèle par rapport au courant de liquide traversant l'espace aéré, en divisant l'espace aéré de pré régence en plusieurs sections et qu'on introduit les gaz quittant le premier espace de liquide dans la section suivante et on répète cette procédure ,- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on utilise un additif pour la séparation des microorganismes a partir du liquide. 6. Appareil pour la réalisation du procédé suivant la revendication 1, ayant une section droite circulaire et un axe vertical, caractérisé en ce qu'une cuve (10) est divisée en deux sections par une chambre d'air (11) disposée concentriquement, à savoir l'espace d'aération (12) et l'es pace de décantation (19), qui sont reliées par une chambre (15) dc distribution supérieure disposée au centre, avec des conduits (16) et qui commun quent entre elles par gravitation au fond de la chambre d'air et un tronçon de sortie de liquide (6) joint la chambre de distribution (15) et un tronçon de sor Lie d'eau (4) joint l'espace de décantation (19) par llinter- médiaire d'une rigole collectrice (18). 7.- Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'une montée d'air (14) ou une pompe imsnergée ou une pompe disposée à l'extérieur de l'appareil, est reliée à la chambre de distribution (15) servant de sortie du liquide à partir de l'espace d'aération (12). 8.- Appareil suivant la revendication 6 ou 7, carac térisé en ce que des tubes (9) et (9a) plongeant dans l'espace d'aération (12) et sortant de la chambre de distribution (8) disposée dans l'axe de symétrie de l'appareil et placés selon un ou plusieurs cercles concentriques, servent d'entrée du courant de liquide brut à traiter. 9.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre de tubes d'entrée (17) dans l'espace de décantation de l'appareil, distribués uniformément de préférence le long de la périphérie de l'espace de décantation, pour introduire le liquide prélevé de l'espace d'aération par un courant force et contenant des microorganismes. 10.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'espace d'aération de l'appareil est fermé en haut et comprend un tronçon (8) pour la sortie des gaz quittant le système.