Brevet FR2562443A1 — publié le 19851011

I 2562443 La présente invention concerne un procédé pour fluidiser, expanser ou tout simplement agiter des particules composant un lit dans un milieu liquide, celles-ci présentant un moyen pour favoriser l'accrochage et le développement de micro-organismes dans des processus biologiques. Elle concerne également des installations de mise en oeuvre du procédé. Le traitement biologique en continu ou non de liquides en vue d'y effectuer certaines transformations est très répandu dans les indust- ries agro-alimentaires, par exemple, bière, vins, tous aliments sous forme liquide, dans les industries pharmaceutiques, dans le traitement d'eau polluée à la suite de certaines opérations de production indust- rielle ou dans le traitement de L'eau usée des zones urbaines. Dans ce genre de traitement des micro-organismes peuvent être ajoutés dans le milieu pour effectuer certaines transformations spécifiques comme c'est le cas généralement dans les industries agro-alimentaires, les industries pharmaceutiques et le traitement d'eau polluée à la sui- te de certaines opérations de production industrielle. Dans l'épuration biologique des eaux usées des zones urbaines, par le procédé des boues activées, on provoque la croissance et on maintient la biomasse libre dans laquelle vivent des micro-organismes qui dégra- dent les matières organiques contenues dans les eaux usées et les transforment en les assimilant à cette biomasse qui est par la suite soit décantée, soit écumée à la surface o on la fait flotter. Cependant le procédé des boues activées ne permet pas d'atteindre des concentration en micro-organismes très élevées. Or il est connu que par l'introduction dans une biomasse libre ou dans un milieu liquide à traiter biologiquement, de particules servant de support d'accrochage, la concentration en micro-organisme augmente et par conséquent le ren- dement des installations augmente aussi. 2 2562443 Le support d'accrochage composé de particules formant un lit dans le milieu liquide est fluidisé expansé ou agité à l'aide d'un courant de ce dernier qui s'oppose à la tendance naturelle de ces particules, soit de flotter, soit d'être précipitées selon leur densité relative par rapport à ce liquide. Si ces particules sont plus denses que le liquide dans lequel elles sont ajoutées, on les fluidise, les expanse ou les agite en les pous- sant vers le haut à l'aide d'un courant ascendant, on obtient ainsi un lit aux particules ascendantes ou simplement un lit ascendant dont la base se trouve vers le bas. Dans le cas inverse on obtient un lit descendant dont la base se trouve vers le haut. Le courant de liquide mobilisant les particules du lit est engendré actuellement à l'aide d'une pompe qui injecte du liquide vers la base du lit en l'aspirant du côté opposé à cette base dans un circuit fer- mé. On conçoit parfaitement que le transport par une pompe de liquide char- gé plus ou moins de particules pose des problèmes:d'une part altérer la structure propre des particules, limiter la taille des particules à utiliser, faire passer ces particules dans un courant rapide à l'inté- rieur de la pompe ce qui influence l'adhésion entre les micro organis- mes et les dites particules et d'autre part créer des problèmes rela- tifs au fonctionnement et à l'entretien de la pompe elle-même. Pour éviter ces problèmes la présente invention propose de créer le courant nécessaire pour fluidiser, expanser ou agiter le dit lit sans avoir besoin de pousser le liquide lui-même par une pompe. A cet effet et selon l'invention, la fluidisation, l'expansion ou l'a- gitation du ou des lit est obtenue à l'aide du ou des courants de liquide résultant d'une part du flux de liquide qui traverse des conte- 3 2562443 nants dans le sens entrée-sortie et d'autre part d'une ou des injec- tions gazeuses dans le ou les contenants, certains de ces derniers con- tiennent le ou les lits à fluidiser, expanser ou à agiter et tous sont reliés entre eux, une entrée de liquide à traiter étant branchée à au moins un contenant et une sortie de liquide traité étant branchée à au moins un contenant. Ces contenants sont placés au même niveau ou à des niveaux diffé- rents, dans le deuxième cas les contenants possédant des lits' étant de préférence placés à un niveau inférieur à celui des autres. L'injection gazeuse est de préférence effectuée dans un contenant qui ne contient pas de lit. Les liaisons entre les dits contenants sont toujours faites d'une part entre le niveau haut d'un contenant qui ne contient pas de lit et le niveau correspondant à la base du lit d'un contenant qui en contient, et d'autre part entre le niveau bas d'un contenant qui n'en contient pas et le niveau opposé à la base du lit d'un contenant qui en con- tient. Suivant une autre disposition de l'invention, les installations pour traiter biologiquement des liquides se caractérise essentiellement par au moins deux colonnes: - une colonne contenant le lit à fluidiser, à expanser ou à agiter, la base de ce dernier pouvant être soit au niveau haut de celle-ci pour un lit descendant, soit au niveau bas de celle-ci pour un lit ascen- dant. - une colonne dans laquelle un courant de liquide s'associant avec le courant qui traverse les colonne dans le sens entrée-sortie est eng- endré grâce à une injection gazeuse faite de préférence à un niveau bas de celle-ci. Les liaisons entre ces colonnes étant: 4 È 2562443 - une liaison entre le niveau haut de la d!!!!!!!euxième colonne et le niveau correspondant à la base du lit dans la première colonne, - une liaison entre Le niveau bas de la deuxième colonne et le niveau opposé à la base du lit de la première colonne. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion détaillée ci-après du procédé et de quelques exemples de réalisa- tion des installations mettant en oeuvre le procédé donné à titre d'exemple explicatifs, jointe à des dessins dans lesquels: - La figure 1 est un schéma des installations à deux colonnes formées dans une seule colonne avec une cloison qui les laisse reliées à leur niveau inférieur et supérieur, un lit descendant formé des particules moins denses que le liquide à traiter est placé dans une de ces deux colonnes, - la figure 2 est un schéma des installations à deux tubes coaxiaux reliés à leur niveau supérieur et inférieur, le courant de liquide ascendant crée par l'injection gazeuse est dans la colonne centrale, un lit descendant est placé dans la colonne formée dans l'espace entre les deux tubes; - la figure 3 est un schéma des installations à deux tubes coaxiaux reliés à leur niveau inférieur et supérieur, un lit descendant est placé dans la colonne centrale constituée du tube central, le courant de liquide ascendant crée par l'injection gazeuse est dans la colonne formée dans l'espace entre les deux tubes. - la figure 4 est un schéma des installations à lit ascendant, il y a deux tubes coaxiaux, le tube central occupe la plupart de la place intérieure, dans ce tube un lit ascendant est placé dans la partie inférieure, une injection gazeuse est effectuée pour créer un courant de liquide ascendant dans la partie supérieure, l'espace entre ces deux tubes sert à les relier. On peut considérer le tube central comme deux colonnes superposées, l'inférieure contient le lit ascendant et la supérieure contient le 2562443 courant de liquide crée par l'injection gazeuse. - la figure 5 est un schéma des installations avec un lit ascendant, ces installations sont semblables à celles de la fig. 4, sauf que Le tube central occupe une place réduite, le lit ascendant et L'injection gazeuse sont installés dans la colonne formée dans l'espace entre les deux tubes. - la figure 6 est un schéma des installations à deux colonnes reliées par des tuyaux. Le procédé selon l'invention consiste à créer un courant de liquide par une injection gazeuse dans le contenant qui contient ce liquide. Ce courant en s'associant avec le courant qui traverse les contenants dans le sens entrée-sortie sert à fluidiser, expanser ou agiter un lit composé par des particules d'une forme quelconque et contenue dans un autre contenant, ce dernier étant relié au premier contenant. Le courant crée par l'injection gazeuse dans un contenant parcourt la hauteur de ce dernier, passe par la liaison entre lui et Le contenant portant le lit pour être injecté dans la base de ce lit. Ce courant fluidise, expanse ou agite le dit lit en le traversant soit de haut en bas, soit de bas en haut selon que le lit est descendant ou ascendant. Il passe de nouveau par la liaison qui relie le contenant du Lit vers un niveau bas du premier contenant. Un ensemble composé de deux contenant comme on vient de le décrire est une unité qui peut fonctionner de façon autonome. Plusieurs unités peuvent être reliées ensemble soit en parallèle, soit en série, soit en mélange de ces deux systèmes. Un ou plusieurs contenant dans lesquels un courant de liquide est en- gendré peut ou peuvent être reliés à un ou plusieurs contenant dans lesquels est placé un lit à fluidiser, à expanser ou à agiter en res- 6 2562443 pectant la règle de liaison entre les contenants; d'une part entre un niveau haut d'un contenant qui ne contient pas de lit et le niveau cor- respondant à la base du lit d;un contenant qui contient ce dernier et d'autre part entre le niveau bas d'un contenant qui ne contient pas de lit et le niveau opposé à la base du lit d'un contenant qui le con- tient. Les particules s'échappant d'un lit sont portées par le courant résul- tant d'une part de flux qui traverse les contenant dans le sens entrée- s-rtie et d'autre part d'une ou des injections gazeuses pour être injectées de nouveau dans la base d'un ou des lits. On sait que la construction de contenant en hauteur est couteuse pour cela plusieurs contenant qui contiennent des lits peuvent être reliés en série ou en parallèLe, un de ces contenants serait relié au conte- nant dans lequel un courant de liquide est engendré à la suite d'une injection gazeuse. Dans ce cas les contenants possédant chacun un lit présentent un seul contenant divisé en plusieurs, mais le coût de construction est moins élevé. Un contenant qui ne contient pas de lit doit avoir une injection gazeu- se en vue de créer un courant de liquide ascendant qui s'associe avec le courant du liquide qui traverse les contenant dans le sens entree- sortie. Une entree de liquide à traiter est branchée à au moins un de ces con- tenants, une sortie de liquide traité est branchée à au moins un de ces contenants. C'est ainsi qu'on obtient un ensemble de traitement biologique de liquides composé d'au moins un contenant dans lequel une injection gazeuse est effectuée pour créer un courant ascendant de liquide, d'au moins un contenant lié au précédent dans lequel un lit à fluidiser, à 7 2562443 expanser ou à agiter est placé, une entrée de liquide à traiter et une sortie de liquide est traité. L'entrée de liquide à traiter est branchée, de préférence de façon à assurer que ce liquide fait le parcours du lit avant d'atteindre la sortie. Ce branchement peut être effectué sur un contenant qui contient un lit et au niveau de base de celui-ci comme dans les figures 1,2,3,4 et ou dans un contenant dans lequel le courant de liquide est provoqué comme dans la fig.6. Les contenants peuvent être placés au même niveau comme dans les fig. 1,2, 3 et 6, ou peuvent être placés à des niveaux différents: les contenant qui contiennent des lits sont au niveau inférieur et ceux qui n'en contiennent pas sont au niveau supérieur comme dans les fig. 4 et 5. L'injection gazeuse effectuée dans les contenants qui ne contiennent pas de lit est de préférence à un niveau bas de ceux-ci de façon à atteindre une vitesse de flux capable de fluidiser le lit en s'asso- ciant avec le courant de liquide qui traverse les contenants, suivant sa densité relative par rapport au liquide à traiter avec un débit minimal de gaz. On conçoit parfaitement que le procédé tel qu'il est décrit peut -tre valable pour faire fonctionner un système de traitement biologique de liquide, soit au lit fluidiser, soit au lit fixe en l'agitant si néces- saire de temps à autre, pour éviter le colmatage. Le choix d'un de ces modes d'opération dépend de la nature de l'opéra- tion de traitement et du calcul de l'énergie à fournir. Dans le cas de traitement anaérobie de liquides, l'injection gazeuse 8 2562443 peut être effectuée en circuit fermé avec un gaz inactif par rapport aux micro-organismes existant et utilisés dans le milieu. Sur la fig. 1, une seule colonne est divisée par une paroi 3 en deux colonne, la colonne 1 dans laquelle un lit ascendant composé de parti- cules est fluidisé, expansé ou agité, la colonne 2 dans laquelle une injection gazeuse est effectuée à l'aide d'un diffuseur 4. Lzs particules constituant le lit sont dans ce cas moins denses que le liquide, donc on a un lit descendant dont la base se trouve à son niveau haut. Une entrée 5 de liquide à traiter est branchée sur la colonne 1 du côté de la base du lit. Une sortie de liquide traité 6 est branchée sur la colonne 2. Un autre diffuseur 7 est prévu pour aérer le milieu de micro-organismes existant essentiellement accrochés aux particules du lit, dans le cas de traitement aérobie. La fig. 2 représente une autre forme de réalisation de telles installa- tions: Deux tubes coaxiaux communiquent à leurs extrémités supérieure et infé- reure dans La colonne constituée par le tube central, le courant de liquide est crée à l'aide d'une injection gazeuse d'un diffuseur 4. Une entrée du liquide à traiter 5 et une sortie du liquide traité 6 sont branchés respectivement sur la colonne 2 constituée par l'espace entre les deux tubes et du côté de la base du lit et sur la colonne 2 constituée par le tube central. Un diffuseur 7 est prévu dans le cas de traitement aérobie. La fig. 3 est une reprise des installations de la fig.2 avec un inter- changement de place du lit et de l'injection gazeuse responsable de créer le flux de liquide ascendant. L'entrée du liquide à traiter et la sortie 6 du liquide traité changent en conséquent elles aussi de place. Sur la figure 4 est présentée une autre forme de réalisation de ces installations avec un lit ascendant. Elles sont constituées de deux tubes coaxiaux le tube central qui a un diamètre légèrement inférieure que celle du tube extérieur représente deux colonnes 1 et 2 superposées ouvertes à leurs extrémités et se com- muniquent entre elles. La colonne inférieure (1) contient le lit à fluidiser, la colonne supé- rieure contient le flux de liquide crée à l'aide d'une injection gazeu- se par le diffuseur 4. L'espace entre les deux tubes coaxiaux sert à relier Le niveau supé- rieure de la colonne 2 au niveau inférieur de la colonne 1. Une entrée 5 du liquide à traiter est branchée au niveau inférieur de la colonne 1. Une sortie du liquide traité est branchée au niveau supérieur de la colonne 2. Un diffuseur 7 est prévu pour aérer les micro-organismes accrochés au lit,dans le cas de traitement aérobie. La fig. 5 est une reprise des installations présentées sur la fig.4: l'espace entre les deux tubes présente dans ce cas les deux colonnes 1 et 2. Les positions relatives de l'injection gazeuse créatrice du flux, de l'injection gazeuse de l'aération dans le cas de traitement aérobie, de l'entrée du liquide à traiter et de la sortie du liquide traité sont conservées. La fig.6 représente une autre réalisation de ces installations avec un lit ascendant. Une colonne 1 qui contient le lit à fluidiser et une colonne 2 qui con- 2562443 tient le courant ascendant du liquide crée par l'injection gazeuse sont reliées par: - un tuyau 8 reliant le niveau haut de la colonne 2 au niveau bas de la colonne 1, - un tuyau 9 reliant le niveau haut de la colonne 1 au niveau bas de la colonne 2. Une entrée de liquide à traiter est branchée au niveau bas de la colon- ne 2 et une sortie du liquide traité est branchée au niveau haut de la colonne 1. La diffusion gazeuse pour créer le flux du liquide est effectuée à tra- vers un diffuseur 4. Un autre diffuseur 7 est prévu pour aérer le lit sur lequel les micro organismes sont accrochés dans le cas de traitements aérobie. Dans tous les exemples que l'on vient de décrire, un flux de liquide à traiter est crée dans une colonne 2 à l'aide d'une injection gazeuse effectuée à un niveau bas de celle-ci, ce flux s'associe avec celui qui traverse les colonne dans le sens entrée-sortie, dès que Le flux total atteint le niveau haut de cette colonne il est injecté à la base d'un Lit composé des particules d'une forme quelconque dans une autre colon- ne 1. Le flux passe à travers ce lit pour être injecté partiellement à un niveau bas de la première colonne 1. Le débit de liquide à l'entrée 5 est pratiquement égal au débit de celui-ci à la sortie 6. * Dans le cas de traitement anaérobie, l'injection gazeuse pour créer le flux dans la colonne 2 peut être effectuée dans un circuit fermé avec un gaz inactif par rapport aux micro organismes utilisés. Dans ce dernier cas, une séparation chimique ou physique du gaz injecté d'éventuels gaz dégagé du aux processus biologique peut être envisa- l 2562443 gée. Cette étape de séparation doit être associée au dit circuit fermé. Toutes modifications classiques peuvent être apportées aux dites ins- tallations à savoir, dans le cas de traitement biologique des eaux usées des zones urbaines, et des eaux polluées à La suite de certaines opérations de production industrielle, pour enrichir Le milieu une réinjection des flocons de biomasse s'échappant par la sortie, peut être envisagée dans une des deux colonnes. D'autres modifications propres à chaque application qui sont connues par l'homme de l'art peuvent être encore envisagées. Une combinaison quelconque d'au moins une colonne de type de la coLonne 1 et au moins une colonne du type de la colonne 2 peut être réalisée en respectant la règle de liaison entre ces colonnes. 12 2562443 REVENDICATIONS R1/ Procédé pour fLuidiser, expanser ou agiter un Lit composé des par- ticules dans un miLieu liquide, ces dernières sont mises en vue de favoriser l'accrochage et le développement de micro-organismes dans des processus biologiques, les dites particules pouvant avoir une densité relative par rapport au milieu liquide inférieure ou supé- rieure à l'unité, leur fluidisation, leur expansion ou leur agita- tion étant effectuée sous l'effet d'un courant du liquide ascendant ou descendant pour réaliser un lit soit ascendant, soit descendant selon le cas o La densité relative des dites particules est res- pectivement supérieure ou inférieure à L'unité caractérisé en ce que la fluidisation l'éxpansion ou l'agitation du ou des lits est obtenue à l'aide du ou des courants du liquide qui résultent d'une part du flux qui traverse des contenants dans le sens. entrée-sortie et d'autre part d'une ou des injections gazeuses dans le ou les contenants, certains de ces contenants contiennent te ou les lits à fluidiser, à expanser ou à agiter, les dits contenant étant reliés entre eux, une entrée de liquide à traiter étant branchée à au moins un contenant et une sortie de liquide traité étant branchée à au moins un contenant également. R2/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les particu- les s'échappant d'un lit sont portés par le courant résultant d'une part de flux qui traverse les contenants dans le sens entrée-sortie et d'autre part d'une ou des injections gazeuses pour être injec- tée de nouveau,sans être agressées,dans la base d'un ou des lits. R3/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les dits contenants sont placés au même niveau ou à des niveaux différents dans le deuxième cas les contenants possédant des lits étant placés à un niveau inférieure à celui des autres. 13 2562443 R4/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la liaison entre les dits contenants est toujours faite d'une part entre le niveau haut d'un contenant qui ne contient pas de lit et le niveau correspondant à la base du lit d'un contenant qui en contient et d'autre part entre le niveau bas d'un contenant qui ne contient pas de lit et le niveau opposé à la base du lit d'un contenant qui en contient un. R5/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'injection gazeuse engendrant le courant de liquide est de préférence effec- tuée dans un contenant qui ne contient pas de lit. R6/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'injection gazeuse effectuée dans un contenant qui ne contient pas de lit est faite de préférence à un niveau bas de celui-ci de façon à attein- dre une vitesse de liquide capable de fluidiser d'expanser ou d'agi- ter le lit suivant sa densité relative avec un débit minimal de gaz. R7/ Procédé selon l'ensemble des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'injection gazeuse engendrant des courants de liquide peut être effectuée en circuit fermé avec un gaz inactif par rapport aux micro-organismes utilisés. R8/ Installation pour traiter biologiquement des liquides avec des lits fluidisés, expansés, ou agités selon le procédé défini dans l'en- semble des revendications 1 à 7 caractérisé par au moins deux colon- nes: - une colonne (1) contenant le lit, la base de ce dernier pouvant être soit au niveau haut de celle-ci pour un lit descendant, soit au niveau bas de celle -ci pour un lit ascendant, - une colonne (2) dans laquelle un courant de liquide est engendré grâce à une injection gazeuse faite de préférence à un niveau bas 14 2562443 de celle-ci. Les liaisons entre ces colonnes étant: - une liaison entre le niveau haut de la colonne (2) et le niveau correspondant à la base du lit dans la colonne (1), - une liaison entre le niveau bas de la colonne (2) et le niveau opposé à la base du lit de la colonne (1). R9/ Installation selon la revendication 7 caractérisée en ce que la colonne (1) et la colonne (2) sont soit au même niveau (fig.1), (fig.2), (fig.3) et (fig.6), soit à deux niveaux différents (fig.4) et (fig.5), la colonne (1) étant au niveau inférieur à celui de la coLonne (2).