Brevet FR2642665A1 — publié le 19900810

La présente invention concerne, de façon générale, le traitement des eaux et en particulier le traitement biologique des eaux de toutes origines à l'aide de microorganismes immobilisés dans les espaces libres d'une masse poreuse. Ce type de procédé de traitement d'épuration est analo- gue, dans sa conception générale à ceux appelés communément "filtres aérés biologiques" ou "lit submergé et fixe de matériau filtrant", eux-mêmes dérivés des filtres à sable ou autres matériaux de filtration utilisés couramment pour le traitement des eaux superficielles en vue de la production d'eau potable. Le brevet français n 2 105 006 décrit par exemple un tel type de filtre aéré biologique. D'une manière générale, de tels traitements sont mis en oeuvre au sein d'une masse poreuse ou matériau de garnissage qui se trouve placé dans une enceinte en béton, comportant un plancher situé au-dessus du fond de l'enceinte. Ce plancher retient le matériau tout en permettant le passage de l'eau qui va percoler au-travers. Pour cela, il est le plus souvent équipé de buselures ou tuyères. Dans les appareils connus, ces buselures ont aussi pour rôle de laisser passer en même temps l'eau et l'air utilisés pendant la séquence de lavage du matériau de garnissage, laquelle a pour but d'évacuer les boues en excès constituées par des matières en suspension non dégradées et la biomasse excédentaire. Pendant la séquence de lavage, l'eau et l'air sont introduits simultanément au-dessous du plan- cher. La présence des poutres de supportage du plancher implique la mise en place d'un réseau de distribution d'eau pour le lavage. Les buselures qui doivent permettre le passage simultané de l'air et de l'eau comportent une tige creuse munie d'un orifice latéral dont la section est prévue, à un débit d'air et un débit d'eau donnés, pour assurer un gradient de pression de l'air par rapport à l'eau suffisant pour dénoyer cet orifice tout en conservant l'extrémité de la tige dans l'eau. Ceci nécessite une bonne étanchéité du plancher en-dehors des buselures et une parfaite maîtrise des débits respectifs de l'eau et de l'air. Dans ce même type d'appareils connus, l'oxygène nécessaire au processus biologique, lorsque celui-ci est aérobie, est introduit sous forme d'air surpressé, désigné sous l'appellation "air de procédé", à l'aide d'un réseau de canalisations situé au-dessus du plancher. La présente invention vise à la fois à simplifier et à améliorer de tels appareils de traitement. A cet effet, la présente invention se rapporte plus particu- lièrement à un dispositif de diffusion et d'équirépartition d'un gaz, en particulier de l'air, à l'intérieur d'un milieu granulaire immergé dans de l'eau en vue du traitement biologique de cette dernière. Pareil dispositif est principalement destiné à équiper des bioréacteurs pour le traitement d'eaux de toutes origines par le procé- dé dit "filtres aérés biologiques" ou "lit granulaire immergé". Rappelons que la diffusion et l'équirépartition du courant d'air ascendant venant au contact de l'eau à traiter au sein de la masse granulaire, sont essentielles au bon fonctionnement et au bon rendement de la réaction biologique. Les principaux dispositifs existants jusqu'à présent font appel à un réseau de tuyauteries perforées dont les trous de réparti- tion d'air sont au contact direct avec l'eau à traiter et le milieu granulaire. Il en résulte de fréquents bouchages des orifices de diffu- sion qui perturbent ainsi le fonctionnement continu du procédé, nécessi- tent des arrêts fréquents de l'installation ainsi qu'un coût important de nettoyage. Rappelons que les principaux incidents de bouchage sont dûs * A la carbonatation des orifices lors du contact direct de l'air et de l'eau * Aux bavures et dépôts de matériaux présents dans les tubes perforés lors de la fabrication et du montage; * Aux produits fins présents dans le matériau granulaire qui, en cours de fonctionnement, s'agglomèrent au voisi- nage des orifices, et * A la rentrée d'eau dans les tubes de répartition au moment de la phase de lavage entraînant des boues biologiques et des particules fines qui se déposent dans les trous. Le dispositif objet de la présente invention a précisément pour but d'éviter tous les inconvénients précités. Dans ce but, les tuyaux de diffusion d'air ont été agencés de manière à assurer la protection du trou et une diffusion aisée de l'air en séparant les fonctions d'équirépartition et de diffusion. Le dispositif objet de la présente invention se caractérise en ce qu'il comporte au moins un collecteur, d'une part couplé à une source d'air sous pression et, d'autre part relié à un ensemble de tubes munis d'une pluralité d'orifices de répartition d'air, chaque tube étant équipé d'une pluralité de boîtes de diffusion d'air disposée chacune en regard d'un desdits orifices de répartition d'air, et en ce que lesdites boîtes sont elles-mêmes munies d'ouvertures de diffusion d'air dans les zones écartées desdits orifices de répartition d'air. Grâce au dispositif selon la présente invention, les orifices de répartition d'air, généralement calibrés, se trouvent ainsi mis à sec, c'est-à-dire protégés par un matelas d'air, ce qui élimine en premier lieu tout problème d'obturation. Il devient donc ainsi possible de supprimer, dans ce type d'installation, tous les systèmes de lavage et de détartrage qui étaient nécessaires dans la technique antérieure pour assurer le débouchage des orifices de répartition d'air. Il convient d'ailleurs de noter ici que ces problèmes liés à des risques d'obturation, étaient d'autant plus ardus que les orifices de répartition d'air étaient situés au voisinage du fond du matériau de remplissage. De façon générale, l'efficacité de ce type d'installation est proportionnelle au nombre de trous de répartition d'air qui, s'ils sont présents en grand nombre, doivent présenter de faibles calibresr et sont donc d'autant plus sensibles au phénomène de colmatage. Grâce au dispositif de diffusion et d'équirépartition d'air de la présente invention, il devient possible d'augmenter à souhait le nombre d'orifices de répartition d'air, avec pour conséquence une amé- lioration de l'efficacité de l'installation. Le dispositif objet de la présente invention, de par sa- conception même, peut être placé au voisinage immédiat au-dessus du plancher d'un bioréacteur. Dans pareil cas, l'air du procédé et l'air utilisé pour le détassage du matériau granulaire, dont le débit et la surpression sont plus élevés que pour le précédent, peuvent ainsi être introduits à la base du matériau de garnissage par le même réseau de distribution. Ce dispositif de diffusion et d'équirépartition d'air peut alors être placé juste au-dessus d'un plancher classique qui ne doit donc plus assurer que le passage de l'eau dans les deux sens. De cette modification, il résulte un certain nombre d'avan- tages déterminants: * Une simplification du plancher avec des contraintes d'étanchéité, de planéité et d'horizontalité moins strictes; * Une simplification de la réalisation des buselures ayant pour seul rôle de retenir le matériau tout en laissant passer l'eau épurée et l'eau de lavage * La suppression du réseau de distribution d'air de lavage sous le plancher; * La suppression de la purge de plancher destinée à éliminer le matelas d'air après le lavage; * Une protection supplémentaire contre tout risque de colmatage des orifices de diffusion d'air, par suite de l'augmentation de débit et de pression au moment du lavage * La possibilité de modifier à loisir les débits respectifs d'eau et d'air pendant la phase de lavage sans risquer de déséquilibrer le système * Une diminution de l'espace libre entre le fond de l'en- ceinte et le plancher et, par suite, une diminution de la hauteur de l'ouvrage, et * Une diminution de la contrainte sur le plancher par suppression de l'air sous-jacent. Un tel dispositif permet enfin de remplacer, dans un bioréacteur, le plancher traditionnel par un double réseau de canalisa- tions, l'un pour amener l'eau de lavage, et l'autre constitué par le dispositif de diffusion et d'équirépartition du gaz selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'objet de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée faite ci-après, notamment en référence aux dessins annexés sur lesquels: * La figure 1 représente une vue de dessus d'un bioréac- teur équipé du dispositif de diffusion et d'équirépartition selon l'invention * La figure 2 représente une vue en coupe selon la ligne IIII de la figure 1; * La figure 3 représente une vue à plus grande échelle du détail III de la figure 2, et * La figure 4 représente une vue à plus grande échelle du détail IV de la figure 3. Sur l'ensemble des figures annexées, les éléments identi- ques seront désignés par les mêmes références. Le bioréacteur 10, qui est destiné au traitement biologique d'un liquide, comporte une enceinte de traitement 12 ouverte vers le haut. Le planchersupport 14 est écarté du fond 16 de l'enceinte 12 pour délimiter une chambre collectrice 18 du liquide traité. De façon classique, un tel bioréacteur comprend également un matériau granulaire 20 remplissant l'enceinte 12 au-dessus du plan- cher-support 14. Selon une caractéristique essentielle de la présente inven- tion, un tel bioréacteur est équipé d'un dispositif de diffusion et d'équirépartition d'air qui se trouve représenté en vue de dessus à la figure 1. Ce dispositif comporte tout d'abord au moins un collecteur 22 couplé à une source d'air sous pression non représentée. Ce même collecteur 22 est en outre relié à une série de tuyaux 24 sur lesquels sont branchés un ensemble de tubes 25 munis d'une pluralité d'orifices de répartition d'air 26. Chaque tube 25 est en outre équipé d'une pluralité de boîtes de diffusion d'air 28 disposée chacune en regard desdits orifices de répartition d'air. Tel que cela apparaît sur le détail de la figure 4, ces boîtes de diffusion d'air 28 sont elles-mêmes munies d'ouvertures de diffusion d'air 30. Pour éviter tout risque d'obturation des ouvertures de diffusion d'air 30, la plus petite dimension de ces ouvertures de diffu- sion d'air 30 sera choisie inférieure à la plus petite dimension des particules les plus fines du milieu granulaire 20. Dans le mode de réalisation particulier décrit, les boîtes de diffusion d'air 28 sont ménagées en-dessous des tubes 25. Dans la pratique, il s'est avéré intéressant d'utiliser des boîtes de diffusion d'air 28 affectant la forme générale de cylindres d'axe vertical. Un tel dispositif peut être posé à même le plancher du bioréacteur. Pareil dispositif, qui peut en particulier être réalisé en matière thermoplastique, présente une élasticité suffisante pour rattra- per les éventuels défauts de planéité du plancher du bioréacteur. La partie supérieure de chaque boîte de diffusion d'air 28, qui est située au voisinage de la jonction avec le tube 25 correspon- dant, comporte un orifice calibré de répartition d'air 26 assurant, par sa section précise, la perte de charge nécessaire à la bonne répartition de l'air injecté dans l'ensemble du matériau granulaire. La partie supérieure de la boîte de diffusion d'air 28 peut par exemple comporter une pastille amovible 32 au centre de laquelle se trouve ménagé l'orifice calibré de répartition d'air 26. Pour éviter tout phénomène d'accumulation d'eau lorsque lI'installation est au repos, une telle pastille 32 peut avantageusement affecter la forme générale d'un cône ayant son sommet dirigé vers le bas. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'ensemble des tubes 25 sera équipé d'une pluralité de buselures file- tées de raccordement, sur lesquelles viendront se visser les boîtes de diffusion d'air 28. Dans pareil mode de réalisation, les pastilles amovibles équipées de l'orifice calibré 26 pourront par exemple être bloquées en position entre le bord libre des tubulures filetées de raccordement et un épaulement correspondant ménagé dans la boîte de diffusion d'air 28. Chaque boîte de diffusion d'air 28 comporte une partie médiane définissant en permanence une chambre d'air ménagée entre l'orifice de répartition d'air 26 et l'eau à traiter. Enfin, les boîtes de diffusion 28 comportent, à leur partie inférieure, des orifices de répartition 30 ménagés sur la surface laté- rale de ladite boîte 28. On remarquera que le mode de réalisation particulier décrit à la figure 4 vise une boîte de diffusion d'air 28 fermée à sa partie inférieure. Dans le cas particulier o le dispositif de diffusion et d'équirépartition repose à même le plancher du bioréacteur, il serait possible de faire appel à des boîtes de diffusion d'air ne comportant pas de face inférieure. Dans le mode de réalisation particulier décrit à la figure 4, la boîte de diffusion d'air 28 comporte une pluralité de fentes verticales 30 présentant la même hauteur. Il est cependant également possible de faire appel à une répartition différente des hauteurs de fentes 30. Ainsi, dans un dispositif dont différentes boîtes de diffu- sion comportent des fentes verticales de hauteurs différentes, à faible débit, seules les fentes les plus longues vont assurer un débit d'air. En choisissant une répartition appropriée de ces boîtes de diffusion d'air 28 équipées des fentes les plus longues, il devient possible d'obtenir une répartition régulière sur des gammes de débit différent. De façon générale, pour obtenir une bonne équirépartition du débit, les orifices de répartition d'air 30 seront avantageusement distribués à la périphérie des boîtes de diffusion 28 avec un décalage angulaire constant. Il est cependant également possible, dans certains cas particuliers, d'avoir recours à des boîtes de diffusion 28 comportant leurs ouvertures de diffusion d'air 30 sur une partie seulement de la surface latérale de la boîte ou encore avec une répartition périphérique inégale. Ceci permet d'assurer une orientation préférentielle de la diffusion d'air au sein du milieu granulaire. Une telle orientation préférentielle de la diffusion d'air peut par exemple présenter un intérêt au voisinage de parois ou de collecteurs responsables d'une perturbation de la diffusion d'air. On précisera enfin que le rapport de la section libre totale des orifices de diffusion d'air 30 de chaque boîte 28, à la section du trou de répartition d'air 26 correspondant, doit être avantageusement compris entre 10 et 100. Dans la pratique, pareil dispositif a permis de supprimer tout phénomène de bouchage intempestif des orifices de diffusion d'air. On a pu en outre observer l'apparition d'une parfaite répartition du flux d'air, en adoptant des ouvertures d'orifices de répartition d'air très faibles, par exemple de l'ordre de grandeur du millimètre. Enfin, le dispositif permet d'obtenir une parfaite équirépar- tition qui se trouve assurée même dans le cas de débits d'air variables. REVENDICATIONS 1. Dispositif de distribution et de diffusion d'un gaz dans un milieu liquide garni ou non de matériau granulaire, en particulier de l'air au sein d'un milieu granulaire immergé dans un liquide destiné à y subir un traitement d'épuration biologique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un collecteur (22), d'une part couplé à une source d'air sous pression et, d'autre part relié à un ensemble de tubes (25) munis d'une pluralité d'orifices de répartition d'air (26), chaque tube étant équipé d'une pluralité de boîtes de diffusion d'air (28) disposée chacune en regard d'un desdits orifices de répartition d'air (26), et en ce que lesdites boîtes sont elles-mêmes munies d'ouvertures de diffusion d'air (30) dans des zones écartées desdits orifices de répartition d'air. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plus petite dimension des ouvertures de diffusion d'air (30) est inférieure à la plus petite dimension des particules les plus fines du matériau granulaire. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caracté- risé en ce que les boîtes de diffusion d'air (28) sont ménagées en- dessous desdits tubes (25). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites boîtes de diffusion d'air (28) affectent la forme générale de cylindres d'axe vertical. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie supérieure de chaque boîte de diffusion d'air (28), située au voisinage de la jonction avec le tube (25) correspondant, comporte un orifice calibré de répartition d'air (26). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie supérieure de la boîte de diffusion (28) comporte une pastille amovible (32) au centre de laquelle se trouve ménagé l'orifice calibré de répartition d'air (26). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite pastille (32) affecte la forme générale d'un cône ayant son sommet dirigé vers le bas. 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractéri- sé en ce que chaque boîte de diffusion d'air (28) comporte une partie médiane définissant en permanence une chambre d'air ménagée entre l'orifice de répartition d'air et l'eau à traiter. 9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractéri- sé en ce que chacune des boîtes de diffusion (28) comporte, à sa partie inférieure, des orifices de répartition d'air (30) ménagés sur la surface latérale de ladite boîte (28). 10. Dispositif selon l'une des revendications I à 9, caractéri- sé en ce que chaque boîte de diffusion d'air (28) comporte une plura- lité de fentes verticales (30) de même hauteur. Il. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que différentes boîtes de diffusion (28) comportent des fentes verticales (30) de hauteurs différentes. 12. Dispositif selon l'une des revendications I à 11, caracté- risé en ce que les orifices de répartition d'air (30) sont distribués à la périphérie des boîtes de diffusion (28) avec un décalage angulaire constant. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caracté- risé en ce que les boîtes de diffusion (28) comportent leurs ouvertures de diffusion d'air (30) sur une partie seulement de leur surface laté- rale, ou avec une répartition périphérique inégale, en vue d'assurer une orientation préférentielle de la diffusion d'air au sein du milieu granu- laire. 14. Dispositif selon l'une des revendications I à 13, caracté- risé en ce que le rapport de la section libre totale des orifices de diffusion (30) de chaque boîte de diffusion (28) à la section du trou de répartition (26) correspondant, est compris entre 10 et 100. 15. Dispositif selon l'une des revendications I à 14, caracté- risé en ce que l'ensemble des tubes (25) se trouve équipé de tubulures filtées de raccordement sur lesquelles viennent se visser les boites de diffusion d'air (28), avec interposition d'une pastille présentant l'orifice de répartition d'air. 16. Bioréacteur destiné au traitement biologique d'un liquide, comportant une enceinte de traitement (12) ouverte vers le haut, un plancher-support (14) écarté du fond (16) de l'enceinte pour délimiter une chambre collectrice (18) du liquide traité, et un matériau granulai- re (20) remplissant ladite enceinte au-dessus du plancher-support, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif de diffusion et d'équi- répartition selon l'une des revendications 1 à 13. I1 17. Bioréacteur selon la revendication 16, caractérisé en ce que les boîtes de diffusion (28) sont disposées au-dessus du plancher- support (14), à proximité immédiate de ce dernier. 18. Bioréacteur selon la revendication 17, caractérisé en ce que la surface inférieure des boîtes de diffusion (28) repose sur le plancher-support (14). 19. Bioréacteur selon les revendications 16 et 17, caracté- risé en ce que le dispositif de diffusion et d'équirépartition est utilisé pour amener aussi bien l'air nécessaire à la mise en oeuvre du traite- ment d'épuration, que l'air de détassage du matériau granulaire.