Brevet FR2565841A1 — publié le 19851220

La présente invention concerne un matériau présentant une grande surface spécifique par rapport à son volume apparent et ses ap- plications pour favoriser le contact en phase hétérogène entre des mi- lietux ou des réactifs impliquant des phénomènes physiques et/ou chimi- $ ques et/ou biologiques et/ou biochimiques. Dans les domaines impliquant de tels phénomènes, on fait couram- ment appel à des éléments introduits dans le milieu réactionnel pour fa- voriser les échanges ou les réactions entre les réactifs mis en présence. Ces éléments peuvent se présenter sous différentes formes et ils sont en général dénommés "éléments de garnissage". Une des caractéristiques re- cherchées pour de tels éléments est la surface spécifique ou surface de contact qui doit être la plus grande possible, de façon à accroître, par rapport à l'unité de volume, le taux d'échange ou de réaction entre les corps ou les substances mis en présence, tout en gênant le moins possible les transferts de masse et/ou de chaleur. Ceci explique les formes diverses que l'on donne à ces éléments de garnissage tels que des formes d'anneaux, de selles, de tubes cloison- nés, de plaques gaufrées, de feuilles ondulées, de billes, etc. Ces éléments peuvent être réalisés à partir de la substance ser- vant elle-même de catalyseur et/ou réactif ou à partir d'une substance destinée à constituer un support pour ledit catalyseur et/ou réactif. C'est ainsi par exemple que l'on a assisté, au cours des der- nières années, au développement d'éléments de garnissage constitués par des résines sous forme de billes, de grains ou de membranes sur lesquelles sont déposées ou greffées les substances catalytiques ou réactives. Sous forme de bille ou de grains, ces éléments de garnissage sont le plus sou- vent utilisés dans des réacteurs en lits fixes ou fluidisés. On connait les limites d'mploi des lits fixes, dues entre autres à une importante perte de charge, à une tendance au colmatage et phénomènes analogues, ainsi que les limites d'emploi de lits fluidisés dues entre autres à la nécessité d'un réglage relativement très précis des paramètres hydrodyna- miques, à la perte du matériau support par entraînement et phénomènes ana- logues. On a également assisté ces dernières années à l'utilisation, connmme éléments de garnissage ou éléments supports, de fibres, textiles ou non, dont on se sert sous la forme de bourre que l'on dispose dans 2565&41 tu réacteur. Bien que ces éléments aient aiporta n cerai: eerecti n- nement par rapport aux éléments précéde=.ent colnus, es ino.énien= s dus aux pertes de charge, au colmatage et autres hénomne-s n-e sont oas entièrement éliminés. Il en est de meme-n pour les éléments de garrissaae pouvant se présenter sous forme de plaques ou de cadres sur iescueis sont appliquées ou tendues des pièces du tpe tissu, toile, tmais, fi- lets, grilles. Dans ce cas, -on rencontre également les phénomènes et les inconvénients rappelés ci-dessus. La présente invention se propose par conséquent de fournir un nouveau matériau de garnissage essentiellement caractérisé par le fait qu'il est constitué par une pluralité de brins, fils, filaments, bande- lettes, assemblés de manière à constituer un flot, une touffe, un pompon, une houppe ou analogue, chacun de ces brins, fils, filaments, bandelettes étant libre de tout mouvement, de manière à pouvoir "flotter" ou "nager" aisâment dans tout milieu fluide (liquide ou gazeux) homogène ou non dans lequel ils sont plongés, afin d'assurer le meilleur contact avec celui-ci. Uniquement pour un souci de simplification, on désignera dans la suite de la présente description par "pompon", tout matériau selon l'invention, que celui-ci se présente sous forme de flot, de touffe, de houppe ou analogue. Suivant une autre caractéristique, les brins, fils, fila- ments, bandelettes sont en une matière inerte destinée à servir de sup- ports ou d'autant de zones d'accrochage pour les substances destinées - à servir de substances catalytiques, de sites d'échanges ou d'agents réactifs par rapport aux substances ou constituants présents dans le milieu ambiant. - Suivant encore une autre caractéristique, les brins, fils, fi- laments ou bandelettes sont en un matériau constituant lui-imême un agent réactif ou un catalyseur pour les constituants présents dans le milieu ambiant. Suivant une forme de réalisation avantageuse possible, les flots, touffes ou pompons sont accrochés sur un élément comlmun souple ou rigide faisant office de "fil tendeur" de manière à maintenir tune position fixe pour chaque pompon par rapport aux pompons voisins tout en permettant aux brins, fils, filaments ou banldelettes de ces pompons de"flotter" ou "nager" librement dans le milieu ambiant. Les éléments d'accrochage peuvent aussi faire partie d'un ensemble plan, d'untm réseau a trois dimensions ou de tout autre volume géométrique approprié. D'autres caractéristiques et les avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels: -la figure 1 représente une série de'pompons vus en plan selon l'invention, plongés librement dans untm milieu fluide; - la figure 2 représente, vu en élévation, un exemple de montage des mêmes'pompons accrochés à un système de "fils tendeurs", et, - la figure 3 représente un mode de réalisation possible d'un montage depompons selon l'invention dans un réseau à trois di- mensions. En se référant à ces figures, le matériau selon la présente invention se présente sous la forme d'une pluralité de brins, fils, filaments ou bandelettes schématisés en (1), rassemblés entre eux en un point 2 pour former un flot, une touffe, un pompon, une houppe, ou analogue, désigné par la référence générale (3) et par le mot pompon. Lorsqu'un tel "pompon" est "plongé" dans un milieu fluide schématisé en (4), on conçoit fort bien que chacun de ces brins, fils, filaments ou bandelettes pourra "flotter" ou "nager" librement dans un courant gazeux ou dans un liquide (agité ou non). On comprendra alors que suivant la nature et/ou les propriétés physico-chimiques des brins, fils, filaments ou bandelettes, ces "pompons" peuvent servir d'éléments de garnissage en vue de favoriser le contact ou les échanges entre des éléments présents dans ledit milieu (4). C'est ainsi que ces brins, fils, filaments ou bandelettes pourront être réalisés en une substance inerte du type matière plastique synthétique ou naturelle, matière tex- tile synthétique ou naturelle, soit sur lesquels on a déjà fixé une substance active du point de vue physique ou chimique telle qu'une substance adsorbante (activité physique) ou une substance catalytique (activité chimique ou physico-chimique), soit qui servent de support à un agent réactif en cours de réaction. De même, les brins, fils, filaments ou bandelettes (1) peu- vent eux-mêmes être constitués par une substance à activité physico- chimique. On citera par exemple comme matériau intéressant, des fibres à base de metauL, de carbone, de tungstène, d'aluminium, d'oxydes mé- talliques, etc. On peut se servir directement de ces "pompons" (3) pour garnir un réacteur sans risque de rencontrer les phénomènes de bourrage ou de colmatage avec le minimum de perte de charge, contrairement aux maté- riaux de garnissage actuellement connus et qui ont été rappelés ci- dessus. On peut également "accrocher" chacun de ces "pompons" à un élément (5) souple ou rigide de configuration quelconque. Dans la forme de réalisation illustrée à la figure 2, cet élément est un "fil ten- deur" rectiligne, étant bien entendu qu'il pourrait se présenter sous forme d'une ligne brisée, d'une hélice ou spirale, etc. Plusieurs de ces fils tendeurs (5) peuvent alors être disposés de toute manière ap- propriée au sein d'un réacteur, à une certaine distance les uns des au- tres, de manière à occuper le volume voulu par le plus grand nombre de ces touffes ou "pompons". L'intérêt d'une telle disposition réside dans l'immobilisation en position relative de ces "pompons", tout en permet- tant aux brins, fils, filaments ou bandelettes (1) de "flotter" ou "na- ger" librement dans ledit volume (voir figure 2). Cette disposition ne s'oppose pas aux régimes hydro-dynamiques choisis. De la même manière et dans le même but, on peut, suivant une autre forme d'exécution telle que celle illustrée à la figure 3, dispo- ser un ensemble de "pompons" ou touffes dans les trois dimensions, de manière à former un réseau (6) qui constituera en soi l'élément de gar- nissage proprement dit, plusieurs de ces réseaux pouvant être superposés ou accolés de manière à remplir le volume désiré du réacteur. Ces dispositions peuvent bien évidemment être maintenues imnmo- biles au sein d'un réacteur ou peuvent être animées d'un mouvement quel- conque. L'avantage de telles dispositions apparait immédiatement à l'homme de l'art. En effet, suivant la nature constitutive de chacun de ces "pompons", on pourra réaliser des réactions catalytiques con- nues, obtenir des effets d'échanges ioniques, favoriser des phénomènes d'absorption et d'adsorption, fixer des agents réactifs, en particulier des agents biochimiques comme des enzymes ou des micro-organismes, etc. Pour mieux illustrer l'invention, on donnera ci-après des exem- ples purement d'application du matériau en question dans le cas particu- lier du domaine du traitement biologique des effluents. On comprendra en effet que dans ce domaine il est surtout recher- ché des matériaux dont la surface de contact avec l'effluent à épurer est la plus grande possible, de manière à accroître par rapport à l'unité de volume, la quantité de biomasse active disponible, ce qui permet d'aug- menter pour un volume déterminé, le poids de micro-organismes fixés sur les surfaces de contact, micro-organismes qui sont responsables de la dé- 1() gradation des matières organiques présentes dans l'effluent en question. On peut classer les procédés de traitement biologique des ef- fluents en deux types: celui impliquant une recirculation des boues et celui impliquant une rétention des boues ou lit fixe. Dans le procédé à recirculation de boues, on préconise à l'heure actuelle l'utilisation de supports immergés dont le principe de base con- siste à disposer, au sein même d'un réacteur de traitement aérobie ou anaérobie, un support inerte offrant une grande surface de contact par rapport à son volume apparent; les boues ou micro-organismes se fixant sur ce support, on parvient ainsi à accroître leur concentration dans le milieu. Dans les procédés à rétention de boues, ces dernières sont fi- xées sur un support inerte. Or, il se trouve que le matériau souple selon la présente in- vention convient particulièrement bien à ces deux types de procédés car il est isotrope et procure par rapport aux garnissages traditionnels avec des matériaux rigides ou avec des films de multiples avantages qui vont être examinés ci-après. Dans les processus biologiques, les supports inertes ne doivent pas s'opposer au brassage du milieu qui assure le contact permanent entre la biomasse' fixée sur ces garnissages et le substrat organique. Le développement de la biomasse sur son support doit être tel: - qu'il ne limite pas l'agitation du milieu; - qu'il ne freine pas l'agitation du milieu, - que le substrat puisse pénétrer au sein de cette biomasse. Les "pompons" répartis suivant une géométrie déterminée dans 25658-41 les réacteurs n'offrent, contrairement aux supports rigides, aucun frein il l'agitation du milieu dans toutes les directions sous l'effet de l'aé- ration en adrobiose ou sous l'effet du dégagement gazeux en anaérobiose ou sous l'effet du recyclage de l'effluent à traiter. Toute la masse liquide est ainsi mise continuellement en con- tact avec les micro-organismes responsables de l'épuration au même titre que dans les installations à boues libres pour lesquelles il est indispen- sable d'avoir un mélange total entre les micro-organismes et l'eau à trai- ter. A la lumière d'expérimentations conduites par le demandeur, re- latives aux traitements biologiques d'effluents par voies aérobie et anaé- robie, il s'est avéré que la dimension (diamètre apparent) des "pompons", leur espacement sur les moyens (tels que fils tendeurs) servant à les main- tenir et la distance séparant ces moyens doivent être déterminés en fonc- tion du type de traitement (aérobie ou anaérobie), en fonction de la na- ture des effluents (concentration en substrat organique) et en fonction du rendement d'élimination des matières organiques escompté. Il est avantageux en effet que les éléments constitutifs des "pompons" soient suffisamment longs pour pouvoir évoluer autour de leur point d'attache. La distance séparant les moyens de fixation des touffes sur des cadres rigides est avantageusement au moins égale au diamètre moyen des touffes, de manière à ce que les brins individuels ne puissent s'em- mêler, ce qui nuirait à leur débattement correct dans le milieu liquide et constituerait une amorce de colmatage entre les touffes. Il est bon que cette distance ne soit que légèrement supérieure audit diamètre. De plus, sur un même moyen de fixation, l'écartement entre les touffes doit être suffisamment grand pour permettre la bonne circulation du milieu réactif. Le matériau, pour être utilisé en traitement biologique, sera avantageusement constitué de fibres textiles synthétiques, ce qui lui confère une grande légèreté ainsi qu'une densité voisine de celle de l'eau. Les volumes géométriques ou les réseaux ou les cadres servant d'élément de fixation des "fils tendeurs" supportant les touffes pourront donc être réalisés en structures légères facilement manoeuvrables par un dispositif de levage relativement simple. Le poids de ces ensembles peut ne pas dépasser quelques kilogrammes par m3 i'encombrement, contrairerent aux matériaux plastiques qui dépassent 30 kg/m3. Les éléments constitutifs des "pompons" de l'invention sont peu coûteux a l'opposé des matériaux plastiques artificiels. Légers et facilement comprimables pour le transport, ils peuvent être amenés sur site sans grands frais. Les seules dépenses ayant une incidence notable sur le prix du matériau sont le coût des cadres qui peuvent être de con- ception modulaire et le montage des "fils tendeurs" équipés des touffes, opération qui est automatisable. Alors qu'avec les matériaux d'origine minérale (gravier, ro- caille) utilisés dans le garnissage des lits bactériens, la surface spé- cifique est généralement inférieure à 100 m2 par m3 de volume apparent de matériau, et que, avec les structures en matière plastique (tubes cloisonnés, nids d'abeilles, plaques gaufrées, films etc), la surface spécifique peut atteindre suivant les cas jusqu'à 300 m2/m3 de volume apparent, les matériaux "pompons" de l'invention procurent du fait de leur état, des surfaces spécifiques considérables, dépassant 1000 m2/m de volume apparent. Le matériau support objet de la présente invention a, en rai- son de sa nature, un comportement souple lorsqu'il est soumis à des dé- placements liquides dans toutes les directions du volume qu'il occupe. Ainsi présente-t-il des vides dont les dimensions sont constamment va- riables facilitant un bon comportement dynamique. Cette flexibilité, bien que permettant à la biomasse de s'ac- crocher sur les "pompons" empêche un développement trop important de cette biomasse et donc limite les risques de colmatage. Lorsqu'il atteint une certaine taille, l'excès de film de microorganismes perpétuellement en mouvement grâce à l'agitation du milieu se détache de lui-même, sous l'effet de l'oxygénation dans les processus aérobies, ou sous l'effet de la remontée des bulles de gaz dans les processus anaérobies. De même, se déplaçant dans toutes les directions de l'espace autour de leur point d'attache, les éléments enrobés de biomasse permet- tent Lmne"fluidisation" de cette biomasse qui favorise la multiplicité des contacts avec le milieu à épurer. La biomasse fixée reste au sein des réacteurs assurant ainsi une constance de concentration en micro-organis- mes ou en boues. 25658-41 Quelques exemples vont illustrer les performances obtenues en traitement aérobie et anaérobie avec le matériau objet de la pré- sente invention et les types d'application que l'on peut envisager. Traitement aérobie En traitement par voie aérobie, suivant les types d'effluents traités, les procédés d'épuration par lit bactérien ont des rendements d'élimination de la DBO de l'ordre de 60 à 70 %, ces pourcentages étant également influencés par la charge organique appliquée. Avec les procédés des boues activées et également selon la charge organique appliquée, et selon les types d'effluents, les rende- ments d'élimination de la DBO peuvent atteindre 95 %, voire occasion- nellement plus. En raison de la grande surface de contact offerte par le maté- riau objet de la présente invention et donc de la très grande masse de micro-organismes susceptibles de se développer, une installation équipée dudit matériau peut opérer à des charges unitaires organiques supérieures à celles des boues activées traditionnelles et atteignant 3 kg DBO/m. jour. Cependant, le matériau doit être mis en oeuvre dans des con- ditions précises pour qu'en tout point du support sur lequel se déve- loppe le film de micro-organismes, l'oxygénation puisse se manifester dans de bonne conditions. A titre d'exemple, sont indiquées ci-après quelques performances obtenue en aérobiose avec les dispositifs à touffes de fibres textiles em- ployées comme support ou garnissage dans des procédés couplés boues acti- vées-lits-bactériens ou procédés par contact: - effluent d'industrie textile - réduction DBO 93 % - " DCO 66 à 79% - " couleur 42 % - Effluent de teinture - réduction DCO 59 % couleur 31 % Traitement anaérobie Les procédés anaérobies à boue libre infiniment mélangée per- mettent de traiter 2 à 3 kg de DCO/m de réacteur/jour. Les procédés à recirculation de boue ou procédés contacts 3 à 6, les procédés à décan- 2565.841 tation interne de type UASB S à 10, et les lits fixes classiques ou fil- tres anaërobieSI0 à 15. Un procédé d'épuration utilisant comme support des fibres svn- thétiques constitutives des "pompons" selon l'invention permet des charges pouvant atteindre 50 kg DCO/m3 de réacteur/jour pour un garnissage de 1 à D kg de support/m de réacteur avec un tatLx d'élimination de la DCO com- pris entre O60 et 90 selon la nature de l'effluent. Le procédé est peu sensible aux matières en suspension, celles- ci ôtant évacuées en même temps que l'excédent de boue, l'isotropie du mi milieu facilitant leur circulation. A titre d'exemple, figurent dans le tableau ci-après les per- formances obtenues avec le matériau objet de la présente invention, dans la méthanisation de substrats organiques. Densité du[Charge no- Volume Nature Volume support minalg kg gaz pro- % CH4 du de kg/m de DCO/m réac- duit/vol. dans substrat réacteur réacteur teur/jour réacteur gaz litre jour Lactosérum 2,8 3,5 23,6 15,0 60 Vinasse 2,8 3,6 42,9 25,0 59 Vinasse 2,8 12,0 53,6 30,4 58,5 Vinasse 70 2,7 33 18, 4 58 Les temps de séjourslhydrauliques sont de quelques jours ou quelques heures en fonction de la concentration initiale en charge pol- luante de l'effluent. Types d'application dans le traitement des effluents L'emploi de ce garnissage par touffes de fibres textiles peut être envisagé dans différentes circonstances. Cdnme il peut se présenter sous forme de cadres amovibles qu'il est aisé de manipuler, on peut con- cevoir d'utiliser ce garnissage disposé en vrac dans les bassins d'aéra- tion de stations d'épuration existantes de manière à en améliorer les per- formances. Grâce à la présence de ce support sur lequel se fixente les micro-organismes, on parvient ainsi a augmenter la concentration en boues des bassins d'aération sans avoir à procéder à des modifications impor- tantes de la conception des stations d'épuration. 1( En outre, en raison du fait que le support ne s'oppose pas aux mouvements de la masse liquide dans les bassins d'aération (iso- tropie), les dispositifs utilisés pour aérer les bassins peuvent con- venir. Il y a lieu seulement de veiller à augmenter la capacité d'aé- ration de ces dispositifs puisque la concentration en biomasse aug- mentant, la consommation d'oxygène s'accroît. Les cadres peuvent également constituer le matériel support d'installations d'épuration à lits bactériens immergés, associant à la fois le principe des boues libres analogues aux boues activées et celui des boues fixées sur les touffes de fibres textiles. En raison de la perte de charge faible créée par les touffes et du comportement isotrope des mouvements liquides, l'aération des bassins contenant les cadres peut être réalisée par les moyens d'oxy- génation traditionnels utilisés dans les procédés boues activées par insufflation d'air. La faible perte de charge des touffes constituées à partir de fibres textiles souples peut être avantageusement mise à profit dans le traitement d'eaux résiduaires urbaines. Ces touffes, disposées en cha- pelet sur une cordelette suspendue dans les conduites d'évacuation des eaux immeubles, peuvent constituer l'âme d'un lit bactérien de faible section mais de grande hauteur. L'eau ruisselant le long du chapelet de touffes s'épure au fur et à mesure qu'elle s'écoule. Une légère aé- ration à la base de la conduite suffit d'une part pour apporter l'oxy- gène nécessaire au processus biologique aérobie, d'autre part pour dé- colmater la conduite si l'épaisseur du film de micro-organismes sur les fibres est trop importante. Le décolmatage par l'air permet également l'autocurage du lit constitué par les touffes. Un tel dispositif intégrable dans tout ré- seau d'évacuation d'eaux usées est particulièrement économe en énergie puisqu'il utilise l'écoulement gravitaire des eaux. Dans les traitements anaérobies enfin, l'emploi des matériaux selon l'invention constitue une solution de choix permettant de retenir la biomasse active avec un support facile à mettre en oeuvre peu coûteux et léger. La circulation du substrat à épurer n'est pas freinée par la présence des touffes au sein des réacteurs. L'isotropie du milieu n'est donc pas affectée. 1 1 D'après les essais réalisés en outre, il se confirme que les charges admissibles en DCO rapportées l'imité de volume de réacteur sont très supérieures à celles obtenues avec d'autres supports. Il va de soi que tous les avantages des éléments de garnissage selon l'invention, avantages qui ont été exploités dans le domaine de l'épuration des effluents, peuvent être aussi bien mis à profit dans tout procédé physique et/ou chimique, et/ou biologique, et/ou biochimique, dans lequel on recherche la mise en contact intime des éléments appelés à réagir entre eux ou à être mis en présence les tuns des autres, à la condition que lesdits éléments de garnissage puissent être maintenus * en suspension dans un fluide, que celui-ci soit liquide ou gazeux. De même, ces éléments de garnissage peuvent servir dans les cas o il est recherché de disposer de surfaces importantes dans des phénomènes d'absorption ou d'adsorption sélective, ainsi que pour les séparations de phases. Bien entendu, la présente invention n'a été décrite qu'à titre purement explicatif et nullement limitatif, toute modification utile pouvant y être apportée sans sortir de son cadre. iEVENDITCATIONS 1. Matériau de garnissage essentiellement caractérisé en ce qu'il est constitué par une pluralité de brins, de fils, de filaments, de bandelettes (1), assemblés de manière à constituer un flot, une touffe, une houppe, un "pompon" (3) ou analogue désigné par "pompon", chacun de ces brins, fils, filaments, bandelettes étant libre de tout mouvement, de manière à pouvoir "flotter ou "nager" aisément dans tout milieu fluide (4) (liquide ou gazeuLx) dans lequel ils sont plongés. 2. Matériau de garnissage selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les brins, fils, filaments, bandelettes (1) sont en une matière inerte destinée à servir de supports ou d'autant de zones d'ac- crochage pour les substances destinées à servir de substances catalyti- ques, de sites d'échanges, de réactifs ou d'agents réactifs par rapport aux substances ou réactifs présents dans le milieu ambiant. 3. Matériau de garnissage selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les brins, fils, filaments ou bandelettes (1) sont en un matériau constituant lui-même l'agent réactif ou le catalyseur pour les constituants présents dans le milieu ambiant. 4. Matériau de garnissage selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que, suivant une forme de réalisation avantageuse, les "pompons" sont accrochés sur un élément commun souple ou rigide faisant office de "fil tendeur" (5) de manière à maintenir une position fixe pour chaque "pompon" par rapport aux "pompons" voisins tout en permettant aux brins, fils, filaments ou bandelettes de ces "pompons" de "flotter" ou "nager" librement dans le milieu ambiant. 5. Matériau de garnissage selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits éléments d'accrochage font partie d'un ensemble plan (cadre), d'un réseau à trois dimensions (6) ou de tout autre volume géo- métrique approprié. 6. Application d'un matériau selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5 dans le domaine de la catalyse, de l'épuration des ef- fluents, des réactions biologiques et/ou biochimiques, des séparations de phases.