Brevet FR2585972A1 — publié le 19870213

L'invention concerne les réacteurs à lit fluidisé de maté granulaire riant utilisés pour le traitement biologique de fluides et plus particu- lièrement d'eau, par voie aérobie ou anaérobie, et dans lesquels le fluide à traiter s'écoule du bas vers le haut de l'appareil. Il est maintenant bien établi que la tchnique des réacteurs biologiques à lit fluidisé présente de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles des réacteurs à cultures libres ou à cultures immobilisées sur lits fixes : ils permettent d'obtenir un meilleur contact de l'eau à épurer et de la masse bactérienne et d'atteindre des charges volumiques bien supérieures, grâce à une très grande surface spécifique du matériau granulaire. De nombreux réacteurs de ce type ont déjà été décrits cependant le développement de ces appareils se heurte à des difficultés concernant en particulier l'introduction et la répartition homogène des fluides dans le lit de matériau granulaire ainsi que le désenrobage, la séparation et le recyclage du matériau. Certains de ces appareils connus comportent des dispositifs permettant de palier partiellement certains de ces inconvénients, par exemple des dispositifs d'injection du liquide à traiter en plusieurs points à la base du réacteur, tels que décrits dans les brevets US 4.202.774 ou européens 0.090.450. Ces dispositifs présentent des risques d'obstruction des orifices d'alimentation et ne comportent pas d'introduction de gaz dans le réacteur lui-même, le gaz de traitement étant généralement mélangé au liquide à traiter préalablement à l'introduction de ce dernier dans le réacteur. La Demanderesse a elle-même déjà décrit dans son brevet NO 84.09.235 un réacteur à lit fluidisé dans lequel l'eau à traiter est introduite à grande vitesse dans une couche de matériau granulaire dont la mise en mouvement assure le transfert de cette eau dans une seconde couche de matériau et la fluidisation de celle-ci. Le lavage et le recyclage en matériau granulaire y sont effectués au moyen d'un dispositif extérieur à l'appareil. Cependant, la technologie de ces appareils connus n'est pas toujours bien adaptée au cas où se trouve présent dans le réacteur le mélange triphasique constitué par le liquide à traiter, le gaz de traitement, par exemple air, oxygène ou air enrichi en oxygène, ou le gaz formé, méthane par exemple, et le matériau granulaire. On a maintenant défini, suivant l'invention, un réacteur à lit de matériau granulaire fluidisé dans lequel peut être effectué un traitement biologique aérobie ou anaérobie et qui permet de remédier aux difficultés rencontrées pour l'introduction des fluides, la fluidisation du matériau granulaire, le dégazage, la séparation et la reprise de l'éffluent traité, ce réacteur suivant l'invention étant particulièrement bien adapté au fait que l'on opère en présence d'un gaz et que l'on se trouve de ce fait en présence d'un mélange triphasique à l'intérieur de l'appareil. On a en effet réussi à dominer les contraintes qu'apporte la présence de ce mélange triphasique dans l'appareil, à savoir la turbulence provoquée par le gaz avec entratnement des fines de matériau granulaire;et à bénéficier des possiblités qu'elle engendre dues à l'allègement des particules et aux effets de gaz-lift créés dans l'appareil. La présente invention consiste en un réacteur à lit fluidisé de matériau granulaire dans lequel le liquide à traiter par voie aérobie ou anaérobie s'écoule de bas en haut à travers le lit de matériau granulaire caractérisé en ce qu'il est muni à sa base, de moyens pour l'introduction du ou des fluides comportant au moins un orifice d'introduction du ou des fluides libérant un jet sur au moins une plaque horizontale munie d'une membrane souple formant clapet et, à sa partie supérieure, de moyens pour effectuer le désenrobage du matériau granulaire entraîné par le gaz introduit et/ou généré dans l'appareil, le dégazage du mélange triphasique présent, et la séparation par décantation des grains de matériau avec recyclage de ce matériau dans la zone de fluidisation ; de moyens pour recycler dans cette zone le débit liquide assurant la fuidisation et de moyens pour la reprise du liquide traité. Suivant une disposition de l'invention, les moyens pour l'introduction des fluides à la base du réacteur consistent en au moins une capacité d'entrée comportant une tubulure axiale verticale guidant le flux contre une plaque horizontale de déviation du jet fluide, cette plaque étant entourée d'une membrane souple formant clapet. Des orifices sont avantageusement ménagés dans cette tubulure pour l'introduction de gaz par l'intermédiaire de cette capacité d'entrée. Cette disposition de l'invention est de préférence utilisée en traitement anaérobie sous la forme d'une capacité unique pour un réacteur cylindrique à fond tronconique, jusqu'à 3 à 4 m de diamètre par exemple, ou d'une pluralité de capacités d'injection réparties sur le fond plat d'un réacteur de grandes dimensions. Suivant une variante de l'invention, plus particulièrement adaptée aux réacteurs aérobies à fond plat, la ou les capacités) d'entrée comportant une tubulure d'injection surmontée d'une plaque horizontale de déviation de jet munie d'une membrane souple est (sont) associée(s) à des collecteurs à orifices adaptés pour la diffusion de gaz, air, oxygène ou air enrichi en oxygène, disposés au-dessus des plaques horizontales de déviation du jet liquide, cette disposition permettant d'éviter tout retour d'eau aérée dans la capacité d'injection et donc d'éviter les risques d'entartrage par dépôts de carbonates. En outre, les effets réguliers d'airlift crées par l'introduction répartie au-dessus des plaques horizontales assurent une stabilisation homogène des flux hydrauliques ce qui permet de limiter à un petit nombre les points d'introduction d'eau. Suivant une autre disposition de l'invention en traitement aérobie, les moyens pour l'introduction des fluides à la base du réacteur consistent en une pluralité de buses d'équirépartition du liquide à traiter comportant des orifices, libérant le jet liquide vertical sur une plaque horizontale, orifices protégés par une membrane souple déformable s'appliquant sur le fond du réacteur de façon étanche en cas d'interruption de l'alimentation et assurant ainsi un effet clapet interdisant tout retour dans la buse, de fluide ou de matériau, ces buses d'introduction de liquide étant associées à un dispositif de diffusion d'air consistant en des coffres à air disposés au-dessous des buses d'injection de liquide et comportant des orifices calibrés d'équirépartition et munis comme connu, de membranes souples déformables, perforées ou poreuses,assurant la diffusion de l'air en très fines bulles au niveau de l'injection du liquide. Suivant l'invention, les moyens pour effectuer le désenrobage du matériau granulaire entralné par le gaz, le dégazage du mélange triphasique et la séparation par décantation des grains de matériau consistent en la disposition à la partie supérieure du réacteur d'au moins un ensemble de trois enceintes successives de dimensionnement bien défini et dans lesquelles les vitesses de passage des fluides sont régulées et controlées - La première enceinte de désenrobage consiste en au moins un tube de transfert à diaphragme(s) réglable(s) créant un effet de laminage, disposé(s) à l'intérieur ou à l'extérieur de l'appareil. La turbulence induite dans ce ou ces tube(s) de transfert du mélange triphasique, au moyen de dispositifs déprimogènes, facilite la coalescence des bulles de gaz et permet l'élimination de l'excès de biomasse fixé sur les grains de matériau.Suivant l'invention, la vitesse de passage des fluides dans ce(s) tubes(s) de transfert fonctionnant en gaz-lift, est avantageusement comprise entre 0,1 et 1m/sec - La deuxième enceinte, de dégazage, située au centre ou à la périphérie de la partie supérieure du réacteur, à flux hydraulique descendant, de large section, est caractérisée en ce que la vitesse de passage de l'eau de haut en bas y est inférieure à 5 cm/sec et avantageusement comprise entre 0, 3 et 1 cm/sec, le gaz s'échappant à la partie supérieure de l'enceinte de dégazage étant récupéré et éventuellement partiellement recyclé à la base du réacteur ; ; - La troisième enceinte, de décantation, se situant au centre de la partie supérieure du réacteur ou de part et d'autre de l'enceinte de dégazage, est caractérisée en ce qu'elle a une surface de 0,5 à 3 fois celle de l'enceinte de dégazage suivant le type de traitement réalisé, aérobie ou anaérobie, et la composition du liquide à traiter, et qu'elle est délimitée à sa partie inférieure par un fond tronconique concentrant le matériau décanté et autorisant une évacuation ponctuelle, avantageusement relié à la zone de réaction où se trouve le mélange triphasique fluidisé, par au moins un tube de recyclage assurant le recyclage du matériau granulaire dans la zone de fluidisation et également du débit nécessaire à la fluidisation. L'appareil suivant l'invention permet ainsi d'assurer une expansion de 20 à 200 % du matériau granulaire par utilisation du débit de liquide à traiter entrant dans l'appareil et du recyclage naturel induit par les effets gaz-lift crées par la différence de densité entre le milieu triphasique de la zone de réaction et des tubes de transfert et le milieu biphasique obtenu après dégazage. On a décrit ci-après quelques formes de réalisation de l'invention étant précisé qu'il s'agit uniquement d'exemples non limitatifs et que toutes autres dispositions pourraient être adoptées sans sortir du cadre de l'invention. Au cours de cette description on se réfère aux dessins ci-joints sur lesquels La Fig. 1 est une perspective arrachée d'une forme de réalisation de l'appareil suivant Les Fig. 2, 3 et 4 montrent schématiquement, les deux premières en perspective, la Fig 4, en coupe, des exemples de réalisation relatifs aux moyens d'introduction des fluides dans l'appareil. Les Fig. 5 et 6 sont des vues en coupe de la partie supérieure de l'appareil, suivant deux formes de réalisation. Comme il ressort de la Fig. 1 le réacteur 1 suivant l'invention de forme générale cylindro-conique comporte un lit fluidisé de matériau granulaire 2 à travers lequel sont amenés à circuler de bas en haut le liquide à traiter et le gaz de traitement ou le gaz généré au cours du traitement. L'eau à traiter est introduite dans l'appareil par la canalisation 3. L'eau traitée en sort par la canalisation 4. Des moyens 5 d'introduction des fluides, eau et gaz, sont disposés à la base du réacteur de façon à ce que se constitue dans le réacteur un mélange triphasique : eau à traiter, gaz et matériau granulaire. Les grains de matériau granulaire utilisé ont une densité supérieure à celle de l'eau, de préférence comprise entre 1 et 2 et une taille effective comprise entre 0,1 et 5 mm. Deux matériaux spécifiques de granulométrie différente, de densités adaptées peuvent être utilisés conjointement et fluidisés soit en mélange soit en bicouche pour obvier aux difficultés de stabilité du lit dues à la remontée des bulles de gaz. La vitesse ascentionnelle appliquée dans la zone de fluidisation 2 varie entre 2 et 20 m/h en fonction de la composition de l'eau traitée et du débit de gaz produit ou injecté dans l'appareil. Le mélange triphasique présent à la partie supérieure du lit fluidisé est véhiculé par le, ou les, tube(s) de transfert 6 constituant une enceinte de désenrobage des grains de matériau dans laquelle les vitesses cumulées en eau et en gaz sont comprises entre 0,1 et 1 m/sec et qui assurent l'élimination de l'excès de biomasse, fixé sur le matériau granulaire, dans l'enceinte de dégazage 7 située dans la partie supérieure du réacteur, à flux hydraulique descendant. Dans cette enceinte de dégazage, de large section, la vitesse de l'eau, généralement inférieure à 1 cmlsec permet au mélange eau-matériau granulaire d'atteindre l'enceinte de décantation 8, délimitée par un cloisonnement cylindrique 8a coaxial, tandis que le gaz sortant de l'appareil par la canalisation 9 est éventuellement recyclé, par la canalisation 10, reliée à la canalisation 9, à la base du réacteur. Le matériau récupéré au point bas de l'enceinte 8 de décantation peut être extrait et recyclé vers la zone de réaction par un système de pompage extérieur, mais, suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, l'enceinte de décantation 8 est munie d'un tube de recyclage naturel 11 prolongeant un cloisonnement conique 8b, du matériau granulaire vers la zone de réaction. Ce tube il est muni de moyens de contrôle du débit liquide de recyclage induit par les effets de gazlift dans la zone de réaction et les tubes de transfert, la vitesse dans le tube 11 étant limitée entre 0 et 2 m/sec. Comme le montre la Fig. 2, les moyens 5 d'introduction des fluides dans le réacteur sont constitués par une capacité d'entrée 12 dans laquelle arrivent l'eau à traiter par la canalisation 13 et le gaz par la canalisation 14. Cette capacité est munie d'une tubulure axiale 15, d'un diamètre compris par exemple entre 20 et 300 mm., percée d'orifices calibrés (non représentés) pour l'injection du gaz. Le jet des fluides sortant de cette tubulure heurte la plaque horizontale 16 par laquelle il est dévié ; une membrane souple 17 formant clapet assurant l'étanchéité du système. L'écartement de la plaque horizontale disposée au-dessus de la tubulure d'injection des fluides est réglable en fonction du débit désiré.La membrane souple entourant la plaque horizontale est lestée par ses bords de façon à assurer la vitesse désirée d'éjection du mélange de fluide, entre 1 et 5 m/sec. En cas d'interruption de l'alimentation en fluide, la membrane 17 repose de façon étanche sur le fond du réacteur. l'effet clapet réalisé interdit alors toute pénétration du matériau dans le système. Les orifices d'introduction de gaz dans la tubulure dtin- jection 15 sont calibrés de façon à créer une perte de charge d'équirépartition de 30 à 300 mm. Suivant la forme de réalisation représentée à la Fig. 3, l'eau à traiter est introduite par des canalisations 18 dans des capacités 19, à tubulure axiale 20. Le jet sortant de cette tubulure heurte la plaque horizontale 21 entourée d'une membrane souple 22, le fonctionnement étant le même que celui décrit à propos de la forme de réalisation suivant la Fig. 8 Les capacités 19 d'introduction de l'eau à traiter sont associées, pour la formation du mélange triphasique, à des collecteurs d'air 23, comportant comme connu, des orifices à membrane déformable. Dans la forme de réalisation conforme à l'exemple traité à la Fig. 4, les moyens d'introduction de l'eau à traiter consistent en une pluralité de collecteurs munis de buses 24 d'équirépartition présentant des orifices 25r de diamètre compris, avantageusement, entre 20 et 100 mm., libérant le jet liquide sur une plaque horizontale pouvant être constituée par le fond 26 du réacteur. Ces orifices sont coiffés par une membrane souple 27 formant clapet. Ces moyens d'introduction de l'eau à traiter sont associés à un ou plusieurs coffres à air 28 disposés audessous des buses d'injection de liquide, comportant des orifices calibrés (29) d'équirépartition de l'air de diamètre compris avantageusement entre 3 et 20 mm, munis de façon connue de membranes élastiques perforées ou poreuses (30). Ainsi qu'on le voit sur les Fig. 5 et 6, la partie supérieure dù réacteur suivant l'invention comporte 3 enceintes : une enceinte de désenrobage constituée par les tubes de transfert, extérieur 31 ou intérieur 32, une deuxième enceinte de dégazage, centrale 34 ou latérale 33 et une enceinte de décantation, centrale 35 ou latérale 36, délimitée à sa partie inférieure par un fond tronconique 37 comportant un tube de recyclage naturel 38 muni d'un moyen de règlage 39 au débit et assurant ainsi un écoulement permanent ou séquentiel. REVENDICATIONS 1. Réacteur à lit fluidisé de matériau granulaire dans lequel le liquide à traiter par voie aérobie ou anaérobie s'écoule de bas en haut à travers le lit de matériau granulaire, caractérisé en ce qu'il est muni à sa base de moyens (5) pour l'introduction du ou des fluide(s), comportant au moins un orifice d'introduction du ou des fluide(s) libérant un jet sur au moins une plaque horizontale (16, 21) munie d'une membrane souple (17,22) formant clapet et, à sa partie supérieure, de moyens (6, 31, 32) pour effectuer le désenrobage du matériau granulaire entraîné par le gaz introduit et/ou généré dans l'appareil, de moyens pour effectuer le dégazage du mélange triphasique présent et la séparation par décantation des grains de matériaux avec recyclage de ce matériau dans la zone de fluidisation ; de moyens pour recycler dans cette zone le débit liquide assurant la fluidisation et de moyens pour la reprise du liquide traité. 2. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour l'introduction des fluides à la base du réacteur consiste en au moins une capacité d'entrée (12) comportant une tubulure axiale verticale (15)guidant le flux contre une plaque horizontale 16 de déviation du jet fluide, cette plaque de déviation étant entourée d'une membrane (17)élastique formant clapet. 3. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les capacités d'entrée comportant une tubulure d'injection surmontée d'une plaque horizontale de déviation du jet munie d'une membrane souple est assocée à un ou plusieurs collecteurs (23) comportant des orifices pour la diffusion du gaz tel que air, oxygène, ou air enrichi en oxygène, ce ou ces collecteurs étant disposés au dessus de la plaque horizontale (21) de déviation du jet liquide. 4. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour l'introduction des fluides à la base du réacteur consistent en une pluralité de buses (24) d'équirépartition du liquide à traiter comportant des orifices 25 libérant le jet liquide sur une plaque horizontale qui peut être constituée par le fond (26) du réacteur et protégés par une membrane souple lestée (27) formant clapet, ces buses d'introduction de liquide étant associées à un dispositif de diffusion d'air consistant en des coffres à air (28) disposés au dessous des buses d'injection de liquide et comportant des orifices calibrés d'équirépartition, munis comme connu, de membranes souples déformables, perforées ou poreuses. 5. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour effectuer le désenrobage du matérieu granulaire entraîné par le gaz, consistent en au moins un tube de transfert intérieur (32) ou extérieur (31), à diaphragme ré- glable, dans lequel la vitesse de passage des fluides est comprise entre 0,1 et 1 m/sec. 6. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour effectuer le dégazage du mélange triphasique consistent en au moins une enceinte centrale (34) ou latérale (33), de large section et à flux hydraulique descendant la vitesse de passage du liquide dans cette enceinte étant comprise entre 0,3 et 5 cm/sec. 7. Réacteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour effectuer la séparation par décantation des grains du matériau granulaire consistent en au moins une enceinte (centrale 35 ou latérale 36), délimitée à sa partie inférieure par un fond tronconique (37), de surface comprise entre 0,5 et 3 fois la surface de l'enceinte de dégazage et munie d'au moins un tube (38) de recyclage du matériau dans la zone de réaction. 8. Réacteur suivant la revendication 7~ caractérisé en ce que le tube de recyclage du matériau véhicule également le débit de recyclage nécessaire à la fluidisation du matériau du réacteur, ce débit de recyclage étant obtenu par les effets de gaz-lift dans la zone de réaction et dans les tubes de transfert et réglé par un moyen de contrôle (39) assurant un écoulement permanent et/ou séquentiel.