Brevet FR2619100A1 — publié le 19890210

La présente invention concerne un appareil pour le traitement anaérobie d'eaux usées urbaines ou industrielles, applicable aussi bien aux effluents dilués qu'aux effluents présentant une forte pollution et aux effluents difficilement dégradables. L'invention est relative aux traitements anaérobies suivant lesquels on réalise une dégradation de la pollution organique par fermentation dans un réacteur fermé, appelé fermenteur, en présence de bactéries méthanogènes, à une température de l'ordre de 30'C (bactéries mésophiles) ou de l'ordre de 60'C (bactéries thermophiles). I1 y a production d'un gaz récupérable, constitué en majeure partie de méthane, carburant stockable et directement utilisable. L'eau traitée évacuée ne doit entraîner que 1e moins possible de matières en suspension, de façon à éviter des pertes de boues riches en micro-organismes et à maintenir une masse active optimale dans le fermenteur ; la boue en excès est éventuellement extraite périodiquement. I1 est connu d'utiliser un traitement en deux phases : une phase de fermentation proprement dite, suivie d'une phase de clarification (le plus souvent par décantation), par laquelle on sépare le liquide interstitiel, qui est évacué, des boues qui sont retournées dans le fermenteur. On connaît les systèmes classiques, qui comportent un fermenteur, généralement brassé en mélange intégral, et un clarificateur séparé, boues étant recyclées du clarificateur vers le fermenteur par pompage. Des difficultés de séparation sont fréquentes, du fait de la charge pondérale élevée introduite, de dégazages, de courants de convection thermique ; pour que les boues puissent décanter et s'accumuler pour être soutirées, il est nécessaire que le clarificatèur soit grand et très profond, et à grande pente, donc encombrant, ou ràclé au moyen d'un équipement mécanique immergé, avec risques de corrosion. En outre, de tels appareils sont difficiles à recouvrir, d'où des problèmes d'odeur. Par ailleurs, les déperditions calorifiques dues aux transferts des boues peuvent être importantes et nécessiter un réchauffage avant recyclage dans le fermenteur, la stabilité et la rapidité de la fermentation anaérobie étant d'autant meilleures que la température de la réaction demeure constante. On connaît également des appareils dans lesquels le clarificateur est intégré au fermenteur, qui fonctionne généralement en lit de boue a flux piston vertical. Ce type d'appareil présente l'avantage d'être compact, en ménageant dans une même enceinte les deux phases de traitement ; il permet également de maintenir les bactéries à température constante et en phase anaérobie tout au long du processus. Le fonctionnement hydraulique du fermenteur est similaire à celui, dit "à lit de boues", des unités de décantation utilisées pour la clarification d'eau de rivière aux fins de production d'eau potable. L'effluent à traiter est réparti à la base du réacteur et traverse, de bas en haut, un lit de boue de concentration sensiblement décroissante ; au-dessus du lit de boue proprement dit, la concentration du liquide en matières en suspension est faible : la charge pondérale introduite dans le clarificateur est donc faible, et les besoins de recyclage sort réduits. Dans de tels appareils, le clarificateur intégré peut être sépare hydrauliquement du fermenteur par une cloison continue, le recyclage de la boue décantée étant. effectué par un moven de pompage adapté, pompe o;: gaz-lift : on retrouve, atténués, certains défauts exposés plus haut, forte pente et grande profondeur du décanteur, ou nécessité d'un système de râclage pour la collecte ponctuelle des boues décantées. Différemment, le clarificateur intégré peut être réalisé en plusieurs compartiments parallèles de section triangulaire, chaque compartiment étant séparé par une zone de piégeage du gaz produit dans le fermenteur ; l'alimentation des compartiments de décantation et le retour gravitaire des boues décantées vers la zone de fermentation se font par des ouvertures aménagées dans les parois internes de séparation. Cette disposition peut présenter certains inconvénients. En effet, l'absence de contrôle positif du point de prélèvement et du débit de retour des boues décantées rend possible le risque de perturbations sérieuses du processus de décantation ; en particulier, les orifices en point bas des zones de décantation, réservés à l'écoulement gravitaire ` des boues décantées vers le fermenteur placé en-dessous, peuvent être traversés par des courants de sens contraires : l'intensité et la fé@ffi_.aë,:r dirëctioli d=_, mouvements de masse liquide à l' intérieur d u varient suivant l'importance du dégagement gazeux ; il est alors fort difficile d'éviter, même par des déflecteurs soigneusement disposé, la pénétration de bulles de gaz dans les zones de décantation et des courants liquides parasites entre fermenteur et décanteurs. Enfin, le brevet n' 85 16 929 fait connaître un appareil comportant, dans une même enceinte fermée, deux cellules identiques accolées fonctionnant alternativement et réciproquement comme cellule de fermentation et comme cellule de décantation. La cellule en phase de fermentation est brassée-au gaz et fonctionne en mélange intégral ; le transfert entre fermenteur et décanteur est réalisé par un air-lift à débit constant, bloquant momentanément la méthanisation et limitant le dégagement gazeux en décantation, une tubulure d'équilibrage, reliant les deux cellules en partie inférieure, assurant un recyclage des boue décantées. Cette disposition associe à une grande simplicité de forme plusieurs avantages déjà mentionnés : compacité, constance de température du milieu, pas d'équipement de râclage immergé. Mais le mélange intégral en zone de réaction entraîne une forte charge pondérale sur la zone en décantation et impose la nécessite d'un retour de boue pour ne pas trop déconcentrer la première au long du cycle ; on peut donc retrouver les difficultés de séparation du système contact classique. Par ailleurs, cette disposition se prête mal à un dopage par un matériau granulaire, difficilement retenu dans la zone de réaction brassée, d'où un déséquilibre probable entre les deux cellules. La présente invention présente les avantages des deux dernières dispositions décrites, sans en avoir les inconvénients. Elle offre la compacité, la constance de température du milieu, et évite tout équipement mécanique mobile immergé ; elle permet de réduire la charge pondérale introduite en décantation suffisamment pour fonctionner sans retour de boue en zone de fermentation, ce qui élimine tout risque de courant parasite entre les deux zones. Par ailleurs, elle autorise un dopage par un matériau granulaire susceptible de fixer les cultures bactériennes anaérobies, matériau maintenu en suspension dans le liquide interstitiel en phase de réaction de façon à faciliter les échanges, et déposé en masse en phase de séparation, de façon à éviter les . dégagements de gaz susceptibles d'entraver la décantation des matières en suspension libres ; ce dopage permet d'augmenter sensiblement le poids de masse bactérienne active par unité de volume de réacteur, et donc de réduire les dimensions de l'appareil. Comme dans le brevet cité ci-dessus, la présente invention réunit, dans une même enceinte fermée sous pression de gaz, deux cellules identiques accolées fonctionnant alternativement et réciproquement comme cellule de fermentation et comme cellule de décantation ; mais, contrairement à ce brevet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que la cellule en fermentation fonctionne en lit de boue à flux ascendant à concentration décroissante, et non en mélange intégral, ce qui réduit considérablement la charge pondérale introduite en zone de séparation et autorise la suppression du recyclage interne des boues. Dans l'appareil suivant l'invention, la masse active décantee dans la zone en séparation n'adsorbe provisoirement plus de charge organique ; la libération de gaz est donc très réduite et ne perturbe pas la sédimentation des matières en suspension libres. Suivant l'invention, chaque cellule, comportant, de façon connue, des moyens pour l'introduction et la répartition de l'eau à traiter, en alimentation éventuellement pulsée pour maintenir le lit de boue dope ou non en suspension, des movens pour l'évacuation du gaz libéré et des boues en excès, est équipée d'un ensemble de collecteurs noyés sous le niveau liquide et comportant des orifices de reprise calibrés, assurant tantôt le transfert gravitaire de la liqueur de la cellule en fermentation vers la cellule en décantation, tantôt la reprise et l'évacuation de l'eau traitée. En phase de fermentation, les collecteurs noyés de reprise sont pleins de boue et doivent être purgés en fin de cycle, pour n'évacuer que de l'eau traitée en phase de séparation ; comme on le verra dans la description qui va suivre, la technologie des collecteurs autorise une vidange par mise sous pression de gaz en fin de cycle, les collecteurs étant maintenus vides le temps nécessaire à la clarification de la zone d'eau les baignant. Les trois fonctions de transfert de boue, purge, reprise d'eau, peuvent être réalisées par vannes automatiques, mais, conformément à une disposition avantageuse de l'invention, ces fonctions peuvent être assurées par des bondes siphoïdes à compression, isolables par mise sous une faible pression de gaz, issue par exemple d'un petit ventilateur assurant également la purge des collecteurs de reprise. Les divers caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description. qui suit. Cette description. est faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe de l'appareil suivant l'invention, en vue de dessus ; - la Figure 2 est une vue schématique en coupe ; - la Figure 3 est un détail des collecteurs de reprise noyés, avec vannes automatiques ; - la Figure 4 est une variante préférée de la commande des fonctions de ces collecteurs par bondes siphoïdes à compression. D'une façon générale, l'appareil pour le traitement anaérobie d'eaux usées suivant l'invention consiste en un réacteur fermé, sous pression de gaz, constitué par une enceinte A, dans laquelle un cloisonnement médian. B détermine deux cuves ou cellules 1, la, identiques et accolée, fonctionnant alternativement et réciproquement comme cellule de fermentation et comme cellule de décantation. L'alimentation en eau à traiter de ces deux cellules se fait en zone basse et de façon répartie, par exemple par un ensemble de nourrices perforées 2, 2a, recevant l'eau d'une canalisation 3, équipée d'une vanne automatique 4, 4a (voir Figure 2). Chaque cellule comporte également, à sa partie supérieure, au moins un collecteur perforé noyé 5, 5a, avec des orifices calibrés 6, 6a prévus sur la génératrice inférieure du tube pour autoriser une purge par mise sous pression de-gaz, chaque orifice étant équipé d'un déflecteur de forme spéciale, schématisé, pour la compréhension, sous la forme d'une tubulure coudée 7, 7a, de façon à reprendre le liquide en zone haute (Fig. 3) Le liquide repris par les collecteurs perforés 5, 5a est dirige gravitairement, soit vers le fond de la cellule adjacente, par l'intermédiaire d'une vanne automatique 8, 8a et d'une conduite de descente 9, 9a, soit vers la rigole d'évacuation à l'air libre 10, par l'intermédiaire d'une vanne automatique 11, 11a et d'une pièce en forme d'auget 12, 12a formant déversoir de maintien de plan d'eau, comme le montre la Figure 3. Dans une variante préférée représentée à la Figure 4, le= vanne automatiques 8 et 11, 8a et 11a, sont remplacées par de- bondes siphoïdes 13, 13a, le compartiment interne 14, 14a de chaque borde éouivalant aux vannes 8, 8a, et le compartiment 15, 15a éauivaîant aux vannes 11, 11a, le principe de la bande étant d'interrompre l'écoulement par le tube interne d'un des compartiments en introduisant dans ce compartiment une pression de gaz provoquant une baisse du niveau liquide sous le débouché supérieur du tube interne ; le déversoir 16, 16a assure un joint hydraulique permettant l'isolation des compartiments d'extraction d'eau traitée. Le fonctionnement de l'appareil est le suivant : les cellules 1 et 1a jouent alternativement le rôle de cellule en fermentation et de cellule de décantation . On supposera que la cellule 1 est la cellule de fermentation, et la cellule 1a celle de décantation. La vanne 4 est ouverte, la vanne 4a est fermée. L'eau à traiter est répartie, en permanence ou cycliquement, sur le fond de la cellule 1 par les orifices des collecteurs 2, le flux ascensionnel moyen, de l'ordre de 0.5 à 1 m/h, pouvant être porté périodiquement, pendant des durees limitées, entre 1 et 4 m/h pour assurer l'homogénéité du lit de boue ou le maintien en suspension du matériau dopant. Le transfert de la liqueur à la cellule 1a s'effectue gravitairement par le collecteur 5, la vanne 8 qui est ouverte (la vanne 11 étant fermée), ou le compartiment 14 de la bonde 13 et la descente 9. Les boues décantent dans la cellule la et sont stockées en attente du changement de cycle. L'eau décantée est reprise par le collecteur 5a et libérée dans la rigole d'évacuation 10, par l'intermédiaire de la vanne automatique 11a, qui est ouverte, ou du compatiment 15a de la bonde 13a. Le cycle dure entre 12 h et 3 jours environ. En fin de cycle, on interrompt provisoirement l'extraction d'eau pendant une durée de l'ordre de 1 h, en fermant la vanne 11, et on alimente l'eau à traiter dans la cellule la en intervertissant les vannes 4 et 4a, de façon à décanter dans la cellule 1. Pendant ce temps, le collecteur 5 de la cellule 1 est purgé par mise sous pression de gaz, la vanne 8 étant fermée. Après cette période de stockage, on décomprime le collecteur 5, et 1e_ vannes 8a et 11 sont ouvertes. Un nouveau cycle commence avec la cellule la en fermentation et la cellule 1 en décantation. REVENDICATIONS 1 - Appareil pour le traitement anaérobie d'eaux usées comportant, dans une même enceinte fermée, sous pression de gaz, deux cellules identiques accolées (1, 1a), fonctionnant alternativement et réciproquement comme cellule de fermentation et comme cellule de décantation, caractérisé en ce que la cellule en fermentation fonctionne en lit de boue à flux ascendant. 2 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est équipé de collecteurs noyés (5, 5a) comportant des orifices (6, 6a), de préférence calibrés, assurant tantôt le transfert gravitaire de la liqueur de la cellule en fermentation vers la cellule en décantation, tantôt la reprise et l'évacuation de l'eau traitée. 3 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 'en ce que le transfert gravitaire de la liqueur de la cellule en fermentation vers la cellule en décantation est réalisé au moyen de conduites de descente (9, 9a) sur lesquelles sont prévues des vannes automatiques (8, 8a@. 4 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les collecteurs de reprise (5, 5a) sont purgeables par mise sous pression de gaz, pour éviter l'introduction de boues dans l'eau traitée, à l'inversion du cycle. 5 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide traité repris par les collecteurs perforés est dirigé vers la rigole (10) d'évacuation à l'air libre par l'intermédiaire de vannes automatiques (11,'11a) et d'une pièce en forme d'auget (12, 12a) formant déversoir. 6 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les vannes automatiques (8 et 11, 8a et 11a) sont remplacées par des bondes siphoIdes (13, 13a), les compartiments internes (14, 14a) de chaque bonde équivalant aux vannes (8, 8a), et les compartiments (15, 15a) équivalant aux vannes (11, 11a). 7 - Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que, en vue d'interrompre l'écoulement par le tube interne d'un des compartiments de chaque bonde, on introduit dans ce compartiment une pression de gaz provoquant une baisse du niveau liquide sous le deb-ou:;he supérieur du tube interne (14, 14a) de la bonde. 8 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les bondes siphoïdes (13. 13a) assurent 1e_ fonctions de transfert, purge et reprise d'eau des collecteurs perforés (5, 5a).