Brevet FR2593188A1 — publié le 19870724

Procédé et dispositif d'ensemencement d'un réacteur biologique à biomasse fixée sur un support. La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif d'ensemencement d'un réacteur biologique à biomasse fixée sur un support, par exemple un bassin pour le traitement des eaux résiduaires par biomasse fixée sur un support solide granuleux. Les eaux résiduaires rejettées par les industriels ou les agglomérations contiennent des polluants constitués par des matières organiques, des matières minérales, etc.... Avant de rejetter ces eaux polluées dans le milieu naturel, il est nécessaire de les épurer pour les débarrasser de leurs matières polluantes. Pour être épurées, ces eaux nécessitent des traitements qui peuvent être physico-chimiques, par adjonction de réactifs provoquant une précipitation des produits polluants contenus dans ces eaux, ou biologiques,# consistant à éliminer par une voie mettant en oeuvre des micro-organismes toutes les matières dissoutes contenant du carbone organique, de l'azote, et autres produits dissous. Pour éliminer biologiquement ces résidus, on met, dans le procédé biologique, en contact l'eau résiduaire avec une biomasse, c'est-à-dire une masse biologique de micro-organismes, se composant généralement d'une chaîne écologique, ou écosystème, composée d'un ensemble de microorganismes plus ou moins élaborés suivant le produit qu'ils consomment. Brièvement décrit, les bactéries que contient la biomasse vont consommer la pollution en se nourrissant aux dépens des matières contenues dans l'eau polluée. Ces bactéries sont alors elles-mêmes consommées par d'autres micro-organismes un peu plus évolués, qui eux-mêmes sont mangés par d'autres encore plus évolués, etc.... On se trouve donc en présence d'une chaîne de prédation permettant la mise en oeuvre du processus de traitement biologique ainsi que le développement naturel des souches utiles. Dans de nombreux cas, les souches utiles se développent naturellement sous les effets conjoints d'une oxygénation, par aération ou par injection d'oxygène pur, et de l'apport de charge nutritive. On dit alors que l'on a affaire à une opération biologique du type aérobie, par opposition à une opération du type anaérobie, assez peu répandue, ne nécessitant pas d'injection d'oxygène en raison des micro-organismes particuliers utilisés. Afin d'obtenir des réacteurs biologiques très performants, et permettant donc, par une diminution appréciable de la taille des réacteurs, de réaliser de substantielles économies au niveau des investissements, la société demanderesse s'est lancée dans l'étude des réacteurs biologiques à injection d'oxygène pur et utilisant de la biomasse fixée sur un support solide granuleux, par exemple un support minéral tel que du sable. Un tel support granuleux, en s'enrobant naturellement de micro-organismes dans le milieu, permet d'obtenir dans celui-ci des concentrations en micro-organismes très supérieures à celles que l'on obtient avec des micro-organismes simplement en suspension dans le milieu. La présente invention se rapporte donc à l'ensemencement, ou enrobage, de ces supports, granuleux ou autres, par les micro-organismes, et vise à accroître, par des moyens simples à mettre en oeuvre et peu onéreux, la vitesse d'ensemencement de tels supports. De nombreux auteurs ont montré que la vitesse d'ensemencement d'un support dépend de l'état de surface du support. Avec un support lisse, mais peu coûteux, tel que des grains de sable, la durée de l'ensemencement est très longue, de l'ordre de deux à trois semaines pour un réacteur donné, pour fixer les idées. Par contre, il a été démontré qu'une surface de support microporeuse accélère grandement le processus, la durée d'ensemencement de ces grains contenus dans le même réacteur étant considérablement réduite, à une vingtaine d'heures environ. Malheureusement, ces supports granuleux à surface microporeuse sont très onéreux à obtenir, et il serait économiquement préférable d'utiliser un support ordinaire de surface lisse, mais de faible coût, plutôt qu'un support naturellement ou artificiellement microporeux de coût élevé. Par ailleurs, indépendamment de ces considérations d'ordre économique, il est important dans certaines applications de réduire au minimum le temps d'ensemencement du réacteur. C'est le cas par exemple d'une utilisation saisonnière de courte durée, pour laquelle il est souhaitable de démarrer, ou redémarrer, une installation en un laps de temps très court, de l'ordre de la journée par exemple. La présente invention concerne un procédé d'ensemencement d'un réacteur biologique à biomasse fixée sur un support, permettant, tout en utilisant un support ordinaire, éventuellement lisse et de faible coût, tel que du sable, de démarrer ou redémarrer l'installation en un laps de temps très court, du même ordre de grandeur que celui obtenu à l'aide d'un support de surface microporeuse par exemple. Il est caractérisé en ce qu'il consiste à introduire dans le réacteur un support composé d'un ou plusieurs éléments qui ont été préalablement enrobés de biomasse, puis congelés et conservés tels quels, sans que la congélation ait nécessairement été effectuée de manière à permettre de conserver en état biologiquement actif l'enrobage dudit ou desdits éléments. Par la congélation de grains, ou autres supports, préalablement ensemencés, les inventeurs ont en effet trouvé que l'on obtenait, à la surface de ces grains, un film physiquement favorable à l'ensemencement de ces grains dans un autre réacteur, ou dans le même réacteur au cours de son redémarrage après arrêt ou hibernation, indépendamment du fait que la congélation ait détruit ou non les micro-organismes Vivants composant l'enrobage d'origine. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, il est suffisant, dans le cas où le support est solide, de congeler le ou les supports solides enrobés seulement, sans congeler le liquide qui les contient, ce qui permet un stockage d'éléments congelés de volume réduit. L'invention se rapporte aussi à un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'il comporte, pour la création d'une réserve de supports enrobés - un réacteur biologique du type à biomasse fixée sur support - un dispositif d'extraction de ce réacteur d'une quantité déterminée de supports enrobés de biomasse et de séparation permettant d'isoler ces supports enrobés - un dispositif de congélation et de conservation à l'état congelé de ces supports enrobés. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un exemple de réalisation, appliqué au domaine de l'épuration des eaux résiduaires, en référence à la figure unique annexée qui est un diagramme schématique représentant une installation conforme à l'invention. Sur la figure, on a désigné par la référence 1 un réacteur biologique destiné à l'épuration biologique des eaux résiduaires, ce réacteur étant associé à un circuit, également connu en soi, d'alimentation, recyclage avec oxygénation, et évacuation, comportant essentiellement - un circuit d'alimentation du réacteur 1 en eau résiduaire comportant une conduite d'amenée 2, une pompe d'alimentation 3, et une conduite 4 d'injection dans le bas du réacteur, - une sortie 5 d'eau épurée constituée par un trop-plein placé en haut du réacteur, - une conduite 6 d'extraction d'un mélange constitué par des grains de sable enrobés de biomasse et d'eau épurée, située en haut du réacteur, mais en dessous du niveau du trop-plein 5, - un décanteur 7, alimenté par la conduite 6, et comportant un conduit de tranquillisation 8, ou "clifford", - une pompe de circulation 9 destinée d'une part à créer une circulation forcée avec recyclage de l'eau épurée sortant en 10 à la partie supérieure du décanteur, et d'autre part à réaliser la fluidisation nécessaire dans le réacteur 1 par création d'un courant ascendant 11, - un circuit d'oxygénation comportant, de manière connue, un "bicône" 12 dont l'entrée supérieure est alimentée en eau de recyclage en sortie de la pompe 9 et en oxygène par une conduite 13, et dont la sortie inférieure est connectée, par une canalisation 14, à la conduite 4 dans laquelle l'eau recyclée et oxygénée est mélangée aux eaux résiduaires entrant en 2, pour être injectée dans le bas du réacteur. En fonctionnement, les micro-organismes dont sont enrobés les grains de sable se nourrissent, dans le réacteur 1, des matières polluantes. Ces micro-organismes se développent, de sorte que l'enrobage de chaque grain augmente en épaisseur, ce qui diminue la densité de chaque grain enrobé. Le courant ascendant 11 entraîne alors ces grains trop enrobés vers le haut du réacteur, dont ils sortent par la conduite 6 mélangés avec de l'eau épurée. Dans le décanteur 7 par contre, les grains enrobés se retrouvent dans le fond de celui-ci, séparés de l'eau épurée sortant en 10. Les grains enrobés amassés au bas du décanteur 7 s'écoulent, par une conduite 15 et au travers d'une vanne 16, dans un récipient 17, comportant un agitateur mécanique 18 mis en rotation par un moteur 19, destiné à effectuer la séparation de la biomasse et des grains de sable. Dans ce séparateur 17, les grains de sable débarrassés de leur enrobage sont extraits par le bas, à l'aide d'une pompe 20, pour être réinjectés dans le réacteur par un conduit 21, tandis que la biomasse résiduaire, ou boue, est évacuée par le haut, à l'aide d'une pompe 22 et à travers une conduite 23, pour être dirigée vers un réservoir de récupération. Il est par ailleurs possible, par un conduit 24 avec vanne 25, d'introduire dans le séparateur 17 du sable neuf, si on le juge nécessaire en cours de fonctionnement ou au démarrage de l'installation. La partie d'installation qui vient d'être décrite correspond à une installation d'épuration des eaux résiduaires, à biomasse fixée sur un support granulaire et injection d'oxygène pur, bien connue en soi des spécialistes. Tel qu'on l'a supposé ci-dessus, le support solide granulaire utilisé est constitué par du sable, produit largement disponible et particulièrement peu onéreux. Malheureusement, la durée de fixation naturelle dans un tel réacteur de la biomasse sur les grains de sable est de l'ordre de quinze jours à trois semaines, ce qui entraîne un temps de mise en route élevé. Un moyen connu pour raccourcir ce temps de mise en route à une journée environ consiste à utiliser, pour l'ensemencement, des grains de support à surface naturellement ou artificiellement microporeuse, ce qui est extrêmement onéreux. Conformément à l'invention, on obtient des performances identiques en remplaçant ces grains à surface microporeuse par des grains de sable ordinaire, ou autre matériau solide par exemple à surface lisse, prélablement enrobés de biomasse puis congelés dans cet état.On obtient ainsi, pour ces grains, que la biomasse ait été détruite par la congélation ou pas, un état de surface physiquement propice à la fixation de nouvelle biomasse, de propriétés tout à fait équivalentes en la matière à celle des grains à surface microporeuse de l'art connu. On décrira maintenant comment, conformément à l'invention, on obtient de tels supports à partir d'une installation classique d'épuration d'eaux résiduaires à biomasse fixée. Comme on le voit sur le dessin, il est possible, à l'aide d'une conduite d'extraction 27 comportant une vanne d'isolement 26, d'extraire une partie des grains enrobés du bas du décanteur 7, pour les rassembler précautionneusement dans des fûts de conditionnement 28. Les fûts 28 sont alors introduits dans un congélateur 29, par exemple à azote liquide, dans lequel les grains de sable enrobés de biomasse sont congelés, par exemple avec une vitesse de descente en température de 5 à 10 C par minute et jusqu'à une température de -10 C. Les fûts contenant les supports enrobés de biomasse congelée sont alors stockés dans un conservateur 30, à une température comprise entre 0 et -100C par exemple. Pour ensemencer un autre réacteur, il suffit de prélever en 31 des supports, stockés en 30, enrobés de biomasse congelée, détruite ou non, puis de les injecter directement dans ce réacteur. Pour ceci, ledit réacteur biologique est rempli d'eau résiduaire, éventuellement diluée avec de l'eau propre en fonction de la concentration en DB05 (demande biologique en oxygène) de ces eaux résiduaires, puis son circuit de recyclage est mis en fonctionnement. La température de l'eau devra être supérieure à 15 C. Les supports congelés sont alors introduits dans le réacteur, puis celui-ci est un peu plus tard, trois heures par exemple, normalement alimenté en eau résiduaire et en oxygène, la mise en route ayant au total duré une journée environ. Pour la mise en hibernation, c'est-à-dire arrêt total pour redémarrage ultérieur, d'un réacteur biologique tel que le réacteur 1, on préfèrera généralement extraire les grains enrobés à l'aide d'une conduite 32, avec vanne d'isolement 33, placée dans le fond du réacteur 1. Les grains enrobés sont alors séparés du liquide qui les entraîne par un décanteur 34, semblable au décanteur 7, puis recueillis et conditionnés dans des fûts 35. Les fûts 35 sont alors comme précédemment passés dans le congélateur 29, puis stockés dans le conservateur 30. Le rédémarrage rapide du réacteur après hibernation est effectué comme précédemment par injection en 36 des supports avec biomasse congelée dans le réacteur 1. L'invention n'est bien évidemment pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit, relatif à l'épuration des eaux résiduaires, mais est applicable à toutes les biotechnologies à biomasse fixée sur support. REVENDICATIONS 1- Procédé d'ensemencement d'un réacteur biologique à biomasse fixée sur un support, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire dans le réacteur un support composé d'un ou plusieurs éléments qui ont été préalablement enrobés de biomasse, puis congelés et conservés tels quels, sans que la congélation ait nécessairement été effectuée de manière à permettre de conserver en état biologiquement actif l'enrobage dudit ou desdits éléments. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enrobage préalable dudit ou desdits éléments de support est effectué par introduction de ceux-ci dans un réacteur biologique. 3- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à congeler ledit ou lesdits éléments enrobés après les avoir séparés de l'élément liquide auquel ils sont mélangés. 4- Elément de support pour biomasse destiné à un réacteur biologique, caractérisé en ce qu'il est composé d'un élément solide enrobé de biomasse congelée. 5- Elément de support selon la revendication 4, caractérisé en de que ledit élément solide est constitué par un élément granuleux. 6- Elément de support selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément est un grain de sable. 7- Dispositif de réalisation de supports enrobés pour réacteur biologique, caractérisé en ce qu'il comporte - un réacteur biologique (1) du type à biomasse fixée sur support, - un dispositif (32 à 35, 26 à 28) d'extraction de ce réacteur d'une quantité déterminée de supports enrobés de biomasse, et de séparation permettant d'isoler ces supports enrobés, - un dispositif (29, 30) de congélation et de conservation à l'état congelé de ces supports enrobés.