Brevet FR2565961A1 — publié le 19851220

La présente invention concerne les réacteurs à lit fluidisé et en particulier ceux utilisés pour le traitement d'eau par voie biologique dans lesquels un lit fluidisé de particules de matières solides granulaires est mis en suspension dans un courant liquide s'écoulant du bas vers le haut de l'appareil de façon à utiliser pleinement la très grande surface spécifique disponible sur ces particules-support continuellement en mouvement et exposées de tous cotés au liquide à épurer. La technique de la fluidisation est bien connue et appliquée pour réaliser de nombreuses réactions chimiques, des échanges de cha- leur, des combustions, etc..., ainsi que le traitement biologique d'eau par voie anaérobie ou aérobie. En traitement de l'eau, l'agent de fluidisa- tion est généralement l'eau, qu'il y ait ou non apport ou formation de gaz. A partir d'une certaine vitesse uniforme et verticale du fluide à travers une couche homogène de grains, il y a expansion de celle-ci; les grains ne sont plus jointifs et sont agités. La section de passage disponible pour le fluide augmente et, jusqu'à une vitesse supérieure limite, les grains demeurent en équilibre entre la force de gravité et les forces d'entrafhe- ment par le fluide. A l'intérieur de la gamme de vitesses du liquide assu- rant la fluidisation, la surface supérieure du lit de matière granulaire, quoique turbulente, est aisément repérable et elle est sensiblement hori- zontale. L'expansion du lit est supérieure à 10 % et normalement com- prise entre 20 et 60 % par rapport à l'état initial du lit au repos. Par rapport aux techniques traditionnelles, des réacteurs à cultures libres ou des réacteurs à cultures immobilisées sur lits fixes, utilisées en traitement des eaux par voie biologique, cette technique pré- sente de nombreux avantages: excellente mise en contact de l'eau à épu- rer et de la masse bactérienne se développant sur les grains; renouvel- lement des surfaces de contact solide-liquide; faible perte de charge entraînée par l'apport de pollution lui-même. En outre, il est bien connu que les réacteurs biologiques à lit fluidisé permettent d'atteindre des charges volumiques très supérieures à celles permises par les techniques des réacteurs à cultures libres et des réacteurs à cultures immobilisées sur lits fixes. Pour les procédés anaé- robies par exemple qui sont particulièrement bien adaptés aux réacteurs 2 - à lit fluidisé - car il n'existe pas de sujétion de rendement de diffusion d'oxygène du gaz vecteur comme dans les procédés aérobies - des charges de 30 à 50 kg DCO/m 3/jour sont applicables sur des lits fluidi- sés traitant des effluents industriels, en particulier ceux en provenance de nombreux procédés mis en oeuvre dans l'industrie agro-alimentaire. La technique des-lits fluidisés est également très bien adaptée à l'élimi- nation des nitrates des eaux souterraines. Cependant, la difficulté de disposer de moyens fiables, sim- ples et d'entretien aisé pour assurer la répartition du fluide à épurer à la base des réacteurs à lit fluidisé a entravé jusqu'à présent le dévelop- pement de réalisations industrielles de tels réacteurs, alors que de nom- breuses études de laboratoire ou sur stations pilotes de dimension ré- duite ont confirmé l'intérêt des réacteurs fluidisés sur le plan purement biocinétique s. En effet, l'homogénéité de cette répartition et la constance de cette homogénéité sont fondamentales. Une inégale répartition conduit à des ro-ardages, à la création simultanée de zones insuffisamment agi- tées et de zones fortement turbulentes. Il y a baisse des performances avec perte de matériau granulaire. Les dispositifs assurantl'alrrentationdel'eau sous une répar- tition homogène à la base du réacteur doivent être adaptés à la qualité des eaux brutes à traiter. En particulier, s'il s'agit d'eaux résiduaires (d'o- rigine industrielle ou domestique), ces dispositifs ne doivent pas être sensibles aux corps étrangers ou aux matières en suspension de plus ou moins grande dimension, ainsi, bien entendu, qu'aux développements bactériens qui se forment dans ces dispositifs d'adduction et se tradui- sent par la formation de mucus plus ou moins collants et gênants sur les surfaces solides. Les dispositifs déjà décrits, par exemple dans le brevet US 4. 202. 774 ou dans le brevet européen 0 090 450, comportent généralement plusieurs points d'injection du liquide à la base du réacteur. Ces dispo- sitifs, s'ils permettent bien d'éviter que ne se produise une turbulence 3 - excessive de la matière solide granulaire dans le réacteur, présentent aussi des inconvénients. Les matières volumineuses contenues dans l'eau à traiter peuvent à tout moment provoquer l'obstruction d'un des orifices d'alimen- tation et perturber la répartition correcte du débit sur toute la surface le maintien dans le temps d'une répartition homogène devient aléatoire et il est fort difficile, en conséquence, de l'assurer. La présente invention pallie ces inconvénients en assurant de façon fiable et stable l'alimentation régulière et homogène en fluide de réacteurs à lit fluidisé de grande dimension, même si le fluide assu- rant la fluidisation véhicule des matières ou corps étrangers de grande dimension et/ou provoque des développements bactériens sur les surfaces fixes avec lesquelles il est en contact. Conformément à l'invention, le fluide, généralement l'eau, à traiter, assurant la fluidisation du lit de matériau granulaire o s'ef- fectue son traitement est introduit à la base du réacteur et à grande vi- tesse, dans une couche de matériau granulaire dont la mise en mouve- ment est utilisée pour assurer une répartition uniforme de la vitesse de propagation du fluide dans la couche de matériau granulaire à fluidiser. Un réacteur suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte dans une même enveloppe une enceinte, à la base de laquelle est introduit, tangentiellement et à grande vitesse le fluide, eau par exemple, à traiter, par lequel sera assurée la fluidisation du matériau granulaire de traitement, ladite enceinte contenant un matériau granu- laire A et, superposée à cette enceinte, au moins une enceinte contenant le matériau granulaire B de traitement, à fluidiser, les différentes en- ceintes étant agencées et leurs dimensions choisies de façon à ce que la couche de matériau granulaire A joue uniquement un rôle de transfert du liquide à traiter à la couche B de matériau de traitement, dans des condi- tions telles que soit assurée une répartition homogène du liquide à traiter dans le matériau de traitement. -4- Le matériau A est utilisé dans la zone d'alimentation et de répartition dans le réacteur du fluide à traiter, le matériau B dans la zone de fluidisation proprement dite qui est la zone de travail du réacteur biologique. Suivant l'invention le fluide, généralement l'eau, à traiter qui est utilisé pour réaliser la fluidisation du matériau B est introduit dans la couche inférieure du matériau A à une vitesse comprise norma- lement entre 1, 5 et 3, 5 m/s, la puissance dissipée dans l'enceinte con- tenant ce matériau étant supérieure à 5 00 W/m. La mise en mouvement rapide du matériau A permet d'évi- ter tout enrobage de celui-ci par des développements bactériens. Ce ma- tériau ne participe pas à la réaction biologique et conserve des caracté- ristiques physiques stables, de sorte que la fonction de dissipation d'éner- gie et de répartition des vitesses de la couche inférieure est assurée pra- tiquement sans altération possible. Sur le matériau B. au contraire, les vitesses du liquide adoptées pour assurer la fluidisation permettent le développement du film bactérien sur les grains constituant le matériau de lit fluidisé de traite- ment. Les divers caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, cette description se rappor- tant à des réalisations données uniquement à titre d'exemples non limita- tifs. Au cours de cette description on se réfère aux dessins ci- joints sur lesquels: les Fig. 1 et 2 sont des vues schématiques en coupe de réacteurs sui- vant l'invention, la Fig. 3 est une vue, analogue aux précédentes, d'un réacteur muni d'un système de lavage du matériau B la Fig. 4 est une vue schématique de ce système de lavage. Dans l'exemple traité à la Fig. 1 le réacteur comporte essentiellement deux enceintes cylindriques superposées: une enceinte inférieure 1 de hauteur h et de diamètre D et une enceinte supérieure 2 de diam1tre D2 et de hauteur h2, raccordes par une surface tronconique 2a. de diamètre D 2et de hauteur h., raccordées par une surface tronconique 2a. - 5 - L'enceinte 1 est remplie de matériau granulaire A de trans- fert, l'enceinte 2 est remplie de matériau granulaire B de traitement. L'eau à traiter, assurant la fluidisation du lit de matériau B est introduite par une tuyauterie unique 4 tangentiellement à l'enceinte 1, sous une vi- tesse comprise normalement, en débit nominal, entre 1, 5 et 3, 5 m/s. Elle assure la mise enrrouvement de rotation du matériau A. Un déflecteur annulaire 5 de diamètre intérieur d, associé éventuellement à des ailettes de guidage 6, permet d'empêcher la mise en rotation des couches inférieures du lit de matériau B fluidisé et d'assurer un redressement général vers le haut et une égale répartition des filets liquides. Les diamètres et les hauteurs des enceintes 1 et 2 sont, conformément à l'invention, choisis de façon à ce que D2 h1 h2 2 1 i 5 '5 Quant au diamètre d du déflecteur 5 il est tel que D1 1, 2 sur toute la surface du réacteur et elle est suffisante pour mettre le ma- tériau B en expansion de 20 à 60 %, sans provoquer ni l'entrafhement du matériau hors du réacteur, ni causer l'arrachement du film biologique développé sur les grains de matériau B. L'enceinte supérieure 2 est prolongée, dans l'exemple traité à la Fig. 1 par une troisième enceinte 3, reliée à l'enceinte 2 par une surface tronconique divergente 7. A l'intérieur de cette ultime enceinte du réac- teur sont disposés tous les moyens nécessaires à la clarification et à la collecte de l'eau traitée qui est évacuée en 8. Si la fermentation dévelop- pée dans le réacteur doit se dérouler à l'abri de l'air, et/ou sous contrôle d'atmosphère et/ou sous pression, le réacteur est fermé par un fond - 6- supérieur 9 qui est éventuellement équipé des dispositifs servant à la collecte et à l'évacuation de gaz produit par la réaction, ou résiduel de celle - ci. L'exemple de réalisation suivant la Fig. 2 diffère de celui représenté à la Fig. 1 par l'existence d'une pluralité d'enceintes cylindriques superposées 2,10,11,12, raccordées par des congés tronconiques et con- tenant le matériau granulaire B, surmontant l'enceinte unique 1 contenant le matériau A de transfert du liquide de traitement au matériau B. Quel que soit le nombre des enceintes superposées compor- tant le matériau granulaire fluidisé de traitement B, les hauteurs et les diamètres de ces enceintes, sont, conformément à l'invention, établis de façon à satisfaire les relations suivantes D2 2 et, pour les n enceintes superposées à l'enceinte 2, le rapport entre le diamètre D d'une enceinte de rang n et le diamètre de l'enceinte immé- n di ateroent inférieure de rang n-l est tel que 1, 2 1, 2, 2 avec h1 -ID n Au démarrage de l'appareil, un classement granulométrique intervient: les matériaux les plus fins étant fluidisés dans la partie supé- rieure du réacteur et les plus gros dans la partie inférieure de sorte quTune augmentation du nombre dTenceintes peut rendre plus uniforme le taux d' expansion du lit de matériau granulaire fluidisé. Lorsqu'intervient la colonisation du matériau, au simple classement granulométrique se superpose un classement da au change- ment de densité de celui-ci; en effet, lorsqu'il se couvre d'un film biolo- gique, sa densité apparente décroft; lorsqu'il est repris par le système de nettoyage de la masse de contact et débarrassé du film biogique, sa densité augmente. Les sections de petit diamètre du réacteur contiennent 7 - donc les particules les plus grosses, mais aussi celles de plus faible diamètre peu colonisées et cela dans la zone oh la concentration en sub- strat est la plus forte, conduisant ainsi à un système autorégulé. Les matériaux A et B constituent avantageusement des couples de matériaux associés, leurs caractéristiques étant choisies en fonction du rôle qu'ils sont appelés chacun à jouer dans l'appareil. On peut par exemple utiliser les couples A et B de matériaux suivants: lère combinaison 2ème combinaison 3ème combinais B Nature A B A B A silico-alt sable pierre ponce sable sable sable nate (Biol Diamètre moyen (mm) 0,9 0,25 1,8 0,25 0,7 0,3 L'invention permet de réaliser des réacteurs à lit fluidisé atteignant jusqu'à 10 m de diamètre, en utilisant une seule tuyauterie d'introduction de l'eau à traiter dans le réacteur, totalement extérieure à ce dernier. Bien entendu l'invention peut être réalisée suivant de nom- breuses variantes sans que l'on s'écarte pour autant de son cadre. C'est ainsi que les enceintes recevant les mnatériaux A de transfert et B de traitement peuvent être de section non circulaire, ces enceintes étant alors raccordées par des surfaces en forme de tronc de pyramide. Les diamètres, tels que D1, D2 de la Fig. 1 sont alors ceux des cercles inscrits dans les sections des enceintes correspondantes. Le matériau B qui s'enrobe progressivement d'un film de plus en plus important a tendance à devenir de plus en plus léger par rapport au liquide et il doit régulièrement être débarrassé de la masse excédentaire qui l'entoure. Un des moyens possibles pour assurer cette régénération du matériau B est de le faire transiter à travers un laveur à l'intérieur - 8 - duquel est assurée une circulation interne au moyen d'un émulseur à gaz, ce gaz pouvant être de l'air ou un gaz enrichi en oxygène dans le cas de procédé aérobie, ou pouvant être le gaz produit par la fermentation dans le cas de procédés anaérobies ou anoxiques. Les Fig. 3 et 4 représentent cette disposition. Le matériau régénéré est ensuite retourné dans le réac- teur. Un ou plusieurs dispositifs de reprise du matériau 14 sont disposés à l'intérieur du réacteur et dans la partie supérieure du lit flui- disé. Le matériau à régénérer est dirigé par un jeu de tuyauteries 15 et un système de pompage 16 vers le laveur. Celui-ci comprend une enceinte 17 à l'intérieur de laquelle est disposé un émulseur 18 permettant, grâce à une alimentation 19 en gaz, d'assurer une recirculation interne; celle- ci provoque un brassage important du matériau qui est ainsi débarrassé de son enrobage de matière organique excédentaire. Un compresseur 20 avec sa tuyauterie d'aspiration 21 fournit à l'émulseur le gaz sous une pression suffisante. Dans le cas de procédés anaérobies, cette tuyauterie d'aspiration 21' est en communication avec la chambre supérieure du laveur rempli de gaz qui est alors fermé par une couverture 22 et est relié par la tuyauterie 23 à une chambre de stockage de gaz à volume variable (non représentée). La régénération du matériau est assurée par les séquen- ces suivantes - transfert de matériau B et de liquide du réacteur vers le laveur, - recirculation interne de la suspension dans le laveur par envoi de gaz comprimé, - arrêt de la recirculation et envoi d'un débit de liquide de rinçage par la tuyauterie 24 avec translation de bas en haut des particules séparées du matériau et évacuation de celles-ci par le dispositif 25 de récupéra- tion et la tuyauterie 26, - transport du matériau régénéré vers le réacteur par la tuyauterie 27 avec envoi du liquide par la tuyauterie 24 pour assurer ce transfert. Les séquences précédentes peuvent être réalisées en continu ou en discontinu et se prêtent aisément à l'automatisation. _9 REVENDICATIONS 1. Réacteur à lit fluidisé de matériau granulaire pour le traitement biologique de fluides, notamment de liquides et plus parti- culièrement d'eau, dans lequel le matériau de traitement est fluidisé par le fluide à traiter, caractérisé en ce que le fluide, notamment l'eau, est introduit à la base du réacteur et à grande vitesse dans une couche de matériau granulaire dont la mise en mouvement est utilisée pour assurer une répartition uniforme de la vitesse de propagation du fluide dans la couche de matériau granulaire de traitement à fluidiser. 2. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en qu'il comporte dans une même enveloppe une enceinte (1) à la base de laquelle est introduit, tangentiellement et à grande vitesse, par une canalisation uni- que (4), le fluide, eau par exemple, à traiter, par lequel sera assurée la fluidisation du matériau granulaire oh s'effectue le trai- tement de ce fluide, ladite enceinte contenant un matériau granulaire A et, superposée.à cette enceinte au moins une enceinte (Z) contenant le matériau granulaire B de traitement, à fluidiser, les différentes enceintes étant agencées et leurs dimensions choisies de façon à ce que la couche de matériau granulaire A joue uniquement un rôle de transfert du fluide à traiter à la couche B du matériau de traitement, dans des conditions telles que soit assurée une répartition homogène du fluide à traiter dans le ma- tériau de traitement. 3. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différentes enceintes constituant le réacteur sont de forme cylindrique et raccordées par des congés tronconiques. 4. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre (D1) et la hauteur (hi1 de l'enceinte (1) contenant le matériau granulaire A et le diamètre (D2) ainsi que la hauteur (h2) de l'enceinte (2) contenant le matériau granu- laire B sont choisis de façon à satisfaire les relations suivantes: - 10 - D h1 h 2 5. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, superposées à l'enceinte unique (1) contenant le matériau A une pluralité d'enceintes également superposées (2, 10, 11, 12) contenant le matériau granulaire de traitement B fluidisé. 6. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que, pour les n enceintes (10, 11, 12), super- posées à l'enceinte (2), le rapport entre le diamètre D d'une enceinte n supérieure à l'enceinte (Z) et de rang n et le diamètre D n1 de l'enceinte immédiatement inférieure, de rang n-l, est tel que: Dn avec hn 1,2 n-1 n 7. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un déflecteur annulaire (5) présentant un orifice de diamètre (d) disposé à la partie supérieure de l'enceinte inférieture (1) contenant le matériau A et de diamètre (D1). 8. Réacteur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport du diamètre (d) de l'orifice présenté par le déflecteur (5) au diamètre (D1) de l'enceinte inférieure (1) contenant le matériau de transfert A est choisi de façon à ce que D1 1,2 9. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'au déflecteur annulaire (5) sont associées des ailettes (6) de guidage. 10. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les matériaux granulaires A et B constituent des couples dont les caractéristiques sont choisies en fonction du rôle dévolu à chacun dans le réacteur. - il1 11. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide à traiter servant à la flui- disation du matériau granulaire de traitement est introduit dans le réacteur sous une vitesse comprise, en débit nominal, entre 1,5 et 3, 5 m/s. 12. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif extérieur de régénération de la masse granulaire B, permettant de la prélever dans la partie supérieure du réacteur, de la faire transiter dans un laveur équipé d'un émulseur à gaz, assurant une intense recirculation interne et de restituer le matériau régénéré au réacteur.