Brevet FR2594112A1 — publié le 19870814

DESCRIPTION L'invention concerne un procédé d'épuration d'eaux usées, avec oxygénation de l'eau transitant dans un bassin de traitement par de 1'oxygène à pureté industrielle, du genre où l'on assure dans ladite eau une production de fines bulles d'oxygène que l'on maintient en contact avec ladite eau jusqu'à leur dissolution substantielle. Dans les procédés connus de ce genre, le bassin est généralement constitué de plusieurs cellules d'oxygénation disposées en série, chaque cellule étant isolée de l'atmosphère par une couverture étanche et l'oxygène pur étant maintenu en contact avec l'eau à partir de la phase gazeuse par des dispositifs de mise en contact.Ce procédé, qui permet un rendement d'utilisation de l'oxygène d'au moins 80 %, présente cependant certains inconvénients, à savoir - un coût élevé pour la couverture des bassins, malgré une réduction globale de volume de l'installation assurée grâce à l'utilisation d'oxygène pur; - des risques de corrosion des ouvrages dûs à l'enrichissement en gaz carbonique de la phase gazeuse au cours des réactions biologiques - des risques relatifs à la sécurité liés à l'existence d'une phase gazeuse riche en oxygène. L'invention a pour objet un procédé et une installation qui sont simples à mettre en oeuvre et qui ne présentent pas ces inconvénients. Selon l'invention, l'on forme au fond d'un bassin à ciel ouvert un jet d'eau à grande vitesse véhiculant lesdites bulles, au voisinage d'une extrSmitE longitudinale dudit bassin, cu d'une section longitudinale dudit bassin, ayant une hauteur d'eau BHP au moins égale à une valeur de l'ordre de cinq meures, une longueur (L), dégagée de tout obstacle dans le sens d'écoulement dudit jet, égale à (L) = (Y) + (X) + (Vc)/(Vi) x (H) dans laquelle (Y) représente la longueur du moyen de dissolution ;; (X) représente la distance longitudinale sur une portion initiale de sa formation, du jet d'eau, au bout de laquelle le jet a subi une décélération substantielle et présente une vitesse peu supérieure à celle de la vitesse moyenne de circulation longitudinale de l'eau, (Vc) est la vitesse horizontale moyenne de circulation du courant-d'eau dans le bassin ; (Vi) est la vitesse ascensionnelle des plus petites bulles ; et une largueur maximale de bassin, ou de section de bassin (1) égale à formule dans laquelle - (Dj) est le diamètre équivalent du ou des jets d'eau; - (V.) est la vitesse initiale d'un jet;; Cette façon d'assurer la dissolution de l'oxygène dans l'eau, qui permet la dissolution substantielle des bulles d'oxygène pratiquement lors de la circulation de l'eau sur une longueur complet de bassin ou de section longitudinale de bassin, et cela avant d'atteiddre la surface de l'eau, permet de supprimer purement et simplement la couverture d'isolement du bassin et les risques et aoûts liés à une telle couverture, ainsi que tous les dispositifs de régulation associés à l'evacuation périodique du gaz carbonique formé dans la phase gazeuse confinée entre la couverture et le niveau d'eau. L'invention concerne également une installation d'epuration biologique d'eau usée avec de l'oxygène industriel, du genre comprenant un bassin de traitement, avec un moyen d'alimentation en eau usée, un mayen de soutirage d'eau traitée, un mayen de formation de bulles d'oxygène en fond de bassin et cette invention se caractérise en ce que en ce que le moyen de formation de bulles d'oxygène crée au moins un jet horizontal d'eau à vitesse initiale coepflse entre 0,5 m/s et 4 m/s, qui est dirigé longitudinalement dans le bassin, ou dans une section de bassin, à ciel ouvert, ayant une hauteur d'eau H supérieure à 5 mètres, une largeur maximale 1 de bassin, ou de section de bassin, déterminée par la relation dans laquelle :: (Dj) est le diamAtre équivalent de sortie du moyen de formation de jet(s); (Vj) est la vitesse initiale d'un jet ; (Vc) est la vitesse horizontale moyenne de circulation longitudinale du courant d'eau et une longueur (L) donnée par la relation dans laquelle (Y) est la longueur du moyen de formation de jet (X) est la distance de décélération substantielle de la vitesse du jet (vu), la vitesse ascensionnelle des bulles. Avantageusement, dans une installation selon l'invention le moyen de formation de bulles d'oxygène à jet horizontal est du type Venturi-tuyère, la tuyère étant orientée selon la longueur du bassin. Ce genre de moyen d'oxygénation, d'un genre connu en soi, a été essentiellement utilisé jusqu'à maintenant dans des bassins à ciel ouvert avec oxygénation par de l'air, pour effectuer un apport coEplémentaire d'oxygène dans une station d'épuration temporairement surchargée. Dans un tel cas, les ouvrages existants ne reçoivent aucune modification et les appareils d'aération classiques continuent à fonctionner. Selon l'invention, cette nouvelle application d'un moyen d'oxygénation connu en soi permet un avantage décisif en ce sens qu'il peut permettre la suppression, d'une façon complète et permanente, les appareils d'aération classiques, tout en assurant la dissolution de la quantité totale d'oxygène necessaire au traitement biologique. L'invention sera maintenant décrite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique de dessus d'un bassin de traitement selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en élévation-coupe selon la ligne TI-II de la figure 1 - la figure 3 est une vue en perspective d'un moyen d'oxygénation. En se référant aux dessins annexés, un bassin de traitement 1 caiporte, à titre d'exemple, deux sections longitudinales en forme de chenaux 2 et 3 disposées côte à côte, définies par des parois longitudinales de bassin 5 et 6, une paroi d' extrémité amont 7, un déversoir aval 8 et une paroi médiane 9 laissant des ouvertures d'extrémité 10 et 10' ; deux moyens d'oxygénation 11, 12 sont disposas en fond du bassin, le moyen d' oxygénation 11 étant situés côté alimentation en eau usée 14, tandis que le moyen d'oxygénation 12 est situé côté déversoir 8.Chaque moyen d'oxygénation est constitué essentiellement d'une pompe 21 aspirant l'eau dans le bassin et la rejetant dans un conduit de refoulement 22 parvenant dans une tubulure 23 à Venturi 24 dans laquelle débouche, par une pluralité circonférentielle de trous, une conduite d'amenée d 'oxygène industriel 25, la conduite 23 à Venturi 24 se subdivisant elleerême en deux conduits 26 et 27, chacun débouchant par un ajutage étroit 28 dans une tuyère 29 (30) largement ouverte à ses deux exmités, le tout reposant sur un châssis de façon que 1'axe des tuyères 29-30 soit situe entre 0,2 m et 1 m au dessus du fond de bassin et orienté selon la longueur L de chaque section de bassin.En fonctionnement, et de façon connue en soi, l'eau qui est refoulée par la pompe 21 se charge au niveau du Venturi 24 de fines bulles d'oxygène avant d'être éjectée à grande vitesse par les ajutages 28 en entraînant ainsi de l'eau secondaire selon la flèche f, formant ensuite à la sortie des tuyères 29 et 30 deux jets d'eau 31 et 32 chargés en bulles d'oxygène, à vitesse d'éjection Vj relativement élevée, ccn!pflse generalement entre 0,5 m/s et 4 m/s et, de préférence, entre 1 m/s et 3 m/s. On a pu constater expérimentalement que, selon la vitesse d'éjection V , la longueur (X) de décélération des jets 31 et 32 est coepnse entre trois et huit mètres, mais qu'elle ne dépasse jamais pratiquement cette dernière valeur.Le but du procédé et du dispositif est d'assurer une dissolution substantielle des bulles avant leur remontée à la surface. A cet effet, on est guidé par les trois considérations suivantes 1 - Disposer d'une hauteur de liquide (H) suffisante pour obtenir un rendement de dissolution de l'oxygène élevé. 2 - Disposer d'une longueur de liquide (L), libre de tout obstacle, en aval de l'appareil de dissolution (11) (12) suffisante pour utiliser au mieux la hauteur (H) disponible, c'est à dire pour permettre aux bulles d'oxygène de suivre une trajectoire depuis leur point d'éjection à la sortie des tuyères (29-30) jusqu'à leur arrivée à la surface libre du liquide, qui ne soit soumise qu'au profil d'écoulement créé par le dispositif de dissolution, sans que ce profil soit perturbe par la présence en aval d'obstacles tels que murs perpendiculaires ou obliques, etc... 3 - Disposer d'une largeur minimale (1) pour permettre l'ixr#lantation aisée de l'appareil de dissolution, mais cependant suffisamment faible pour assurer une vitesse moyenne de circulation du liquide (Vc ) au moins égale à la vitesse minimale permettant d'éviter le dépôt de solides sur le fond du bassin. D'une façon générale, le bassin à utiliser est donc caractérisé par une hauteur (H) et une longueur (L) importantes, et par une largeur (1) faible. De façon plus détaillée le flux d'eau et d'oxygène sortant du moyen de dissolution (11, 12) sous forme d'emulsion est dispersé dans l'ensenible du bassin par les tuyères mélangeuses (29-30). La vitesse d'éjection (V.) à la sortie des tuyères (29,30) est ccqprise entre 0,5 3 m/s et 4 m/s, plus généralement entre 1 m/s et 3 m/s. Le choix des dimensions du bassin répond donc aux règles suivantes - Hauteur (H) : la hauteur totale d'eau dans le bassin qui conditionne le temps de séjour des bulles dans le liquide et la concentration de saturation en oxygène dissous est choisie au moins égale à 5 mètres. - Longueur (L) : les bulles sortant des tuyères mélangeuses suivent deux portions de trajectoire relativement distinctes La première portion (X) correspond à l'entrainement des bulles dans la zone d'action du jet. Dans cette partie, la vitesse ascentionnelle des bulles est tres faible coassée à la vitesse horizontale d'éjection (Vj) et l'on peut admettre que cette trajectoire est quasi-horizontale : elle a cependant une longueur (X) au plus égale à 8 mètres environ pour les plus petites bulles. A la fin de cette première portion de trajectoire (X), le jet liquide issu des tuyères (29,30) a cédé l'essentiel de son énergie cinétique au milieu arabisant, qui est alors animé d'une vitesse horizontale moyenne de circulation (Vc).Les bulles non encore dissoutes sont maintenant soumises à une vitesse d'entrainement horizontal (Vc) et à une vitesse ascentionnelle (Vi) (due à la poussée d1Archimède). Elles prennent donc une trajectoire oblique formant par rapport à un axe horizontal un angle (s) tel que tg(o() = (Vi)/(Vc). A partir de ce point, la longueur minimale (Z) nécessaire sur l'horizontale pour que la bulle suive cette trajectoire oblique sans perturbation est reliée à la hauteur et à l'angle d'inclinaison par tg (ol) = (H)/(Z), d'où (Z) = (Vc)/(Vi)~(H) . (V Par exoeple, si la vitesse minimale de circulation (Vc) est égale à 0, 25 m/s, et la vitesse ascentionnelle V. des plus petites bulles d'environ 0,15 m/s, la longueur (Z) est alors égale à 1,67 x (H), où (H) est la hauteur prccéd#ment fixée, supérieure ou égale à 5 mètres. La longueur totale (L) dont on doit disposer est : (L) = (Y) + (Y) + (Z) = (Y) + 8 + 1,67(H), avec (Y) longueur axiale de l'appareil d'oxygénation, le total correspondant à la longueur du bassin, ou section de bassin. Pour les jets immerges, l'expérience montre que le rapport entre la vitesse moyenne de circulation (Vc) résultant de l'action du jet et la vitesse initiale (Vj) du jet est égal au rapport entre le diamètre équivalent (Dj) des jets et le diamètre équivalent (Dc) du bassin, le diamètre équivalent d'une section quelconque étant défini carme le diamètre d'une conduite circulaire qui présenterait la mSne section. Ainsi, pour un moyen de dissolution ccoportant (N) tuyères cylindriques de même diamètre (Dt) , le diamètre équivalent (D.) des jets est 3 et pour un bassin de forme "chenal", de largeur (1) et de hauteur (H), le diamètre équivalent (Dc) vaut : 2 Avec (Vc)/(Vj) = (Dj)/(DC), on peut exprimer la largeur (1) du bassin en fonction de la hauteur (H), du diamètre équivalent (Dj), des vitesses (vj) et (Vc) (vj) et (Dj) sont des caractéristiques connues de l'appareil d'oxygénation et (H) la hauteur d'eau determinee precédemment. On voit donc que si l'on fixe une valeur minimale pour la vitesse de circulation (V ), on aboutit à une valeur maximale de la largeur (1), permettant d'assurer cette vitesse (Vc). Dans le cas ah cette largeur ne serait pas cwatible avec l'encombrement de l'appareil de dissolution, on sera amené à modifier légèrenent le choix de (Vj) et (D.) afin d'obtenir une valeur maximale de 3 la largeur (1) plus élevée. Exemples de mises en oeuvre 1 - Appareil de dissolution de 300 rn3/h, avec deux tuyères de diamètre (Dt) = 0,39 m, et une vitesse d'éjection (Vj) en sortie des tuyères de 2m/s. On fixe (Vc) = 0,25 m/s. Hauteur : on choisit (H) = 6 m 2 - Appareil de dissolution de 600 m3/h, avec deux tuyères (Dt) = 0,55 m et une vitesse (Vj) = 2,2 m/s. On fixe (Vc) = 0,3 m/s. Hauteur : soit (H) = 8 m Longueur : (L) = 8 + 0,3 x 8 = 24 m 0,15 Largeur : (Dj) = 0,78 m (1) maxi = 3,2 m Danaines d'application Les danaines d'application du procédé sont ceux envisageables pour une station à l'oxygène pur de type classique, par exerrple - station de traitement à l'oxygène pur avec recyclage des boues activés concentrées extraites du décanteur. - bassin d 'oxygénation par l'oxygène pur, intégré dans un procédé à deux étages (anoxique plus aérobie), par exemple pour réaliser, outre la dégradation de la pollution carbonée, une nitrification et une dénitrification de l'eau polluée. - prétraitement à l'oxygène pur dans une portion de bassin existant ou dans un bassin séparé, pour accroître la capacité d'une station existante équipée de moyens classiques d'aération. REVENDICATIONS 1. Procédé d'épuration d'eau usée, avec oxygénation de l'eau transitant dans un bassin de traitement par de l'oxygène à pureté industrielle, du genre où l'on assure dans ladite eau une production de fines bulles d'oxygène que l'on maintient en contact avec ladite eau jusqu'à leur dissolution substantielle, caractérisé en ce que l'on forma au fond d'un bassin à ciel ouvert, ou d'une section longitudinale de bassin, au moins un jet d'eau véhiculant lesdites bulles, au voisinage une extmité longitudinale dudit bassin, ou section longitudinale dudit bassin, ayant une hauteur d'eau (H) au moins égale à une valeur de l'ordre de 5 mètres, une longueur (L), dégagée de tout obstacle dans le sens d'écoulement dudit jet, égale à (L) = (Y) + (X) +(Vc) (H) (vi) dans laquelle (Y) représente la longueur du moyen de dissolution (X) représente la distance longitudinale sur une portion initiale de sa formation, du jet d'eau, au bout de laquelle ledit jet a subi une décélération substantielle et présente une vitesse peu supérieure à celle de la vitesse moyenne de circulation longitudinale de l'eau, (Vi) est la vitesse ascentionnelle des plus petites bulles. (V ) est la vitesse horizontale moyenne de circulation du courant d'eau dans le bassin ; et une largueur maximale de bassin, ou de section de bassin égale à formelle dans laquelle (Dj) est le diamètre équivalent du ou des jets d'eau ; est est la vitesse initiale d'un jet 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur (L) est donnée par la relation (L) = (Y) + (X) + 1,67 (H) 3. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que la vitesse initiale du jet (Vc) est car,prise entre 0,5 m/s et 4 m/s, et de préférence entre 1 m/s et 3 m/s. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance (X) est catprise entre 3 mètres et 8 mètres. 5. Installation d'oxygénation d'eau usée avec de l'oxygène industriel, du genre canprenant un bassin de traitement ou une section longitudinale ou annexe de bassin de traitement, avec un moyen d'alimentation en eau usée, un moyen de soutirage d'eau oxygénée, un moyen de formation de bulles en fond de bassin, caractérisé en ce que le moyen de formation de bulles est établi de façon à créer au moins un jet horizontal d'eau à vitesse initiale (Vj) cagrise entre 0,5 m/s et 4 m/s qui est dirigé longitudinalement, le bassin, ou une section de bassin ou une section annexe de bassin, à ciel ouvert, ayant une hauteur de déversoir (H) supérieure à 5 mètres, une largeur (1) de bassin ou de section de bassin déterminée par la relation dans laquelle (D.) est le diamètre équivalent de sortie du moyen de formation de 3 jet(s); (Vc) est la vitesse horizontale moyenne calculée de circulation longitudinale du courant d'eau eau et une longueur (L) donnée par la relation (L) = (Y) + (X) + (Vc) / (Vi) . (H) dans laquelle (Y) est la longueur axiale de l'appareil de formation de bulles d'oxygène; (X) est la distance de décélération de la vitesse d'un jet ; (Vi) la vitesse ascentionnelle des bulles fournées par l'appareil d'oxygénation 6 . Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que la longueur (L) est donnée par la relation (L) = (X) + (Y) + 1,67 (H). 7. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moyen de formation de bulles à jet horizontal est du type venturi-tuyère, une tuyère étant orientée selon la longueur du bassin. 8. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le bassin est ocoposé de plusieurs sections avec un moyen de formation d'un jet oxygéné à une extrémité de chaque section.