Brevet FR2739849A1 — publié le 19970418

L'invention concerne un procédé de traitement biologique d'un liquide, et notamment un procédé de traitement biologique des eaux résiduaires, ainsi qu'un dispositif de traitement biologique utilisant un tel procédé. Les traitements d'épuration des eaux résiduaires mettent en oeuvre une réaction biologique entre les matières contenues ou en suspension dans les eaux résiduaires et une biomasse active. Cette biomasse peut être libre mais il s'est avéré que la fixation des microorganismes (constituant la biomasse) sur des supports minéraux ou organiques permet le maintien de concentrations élevées de biomasse dans les réacteurs biologiques, également appelés bioréacteurs. Ceci assure des charges volumiques plus élevées et des réacteurs plus compacts que dans les procédés classiques utilisant une biomasse libre.Dans la technique antérieure des traitements biologiques utilisant des cultures fixées, on trouve essentiellement trois groupes de réacteurs: les réacteurs à lits fluidisés di- ou triphasiques, les réacteurs à lit turbulent et les réacteurs à lit fixe. Ces derniers sont particulièrement intéressants du point de vue de leur mise en oeuvre généralement simple et peu coûteuse. Des exemples de réacteurs à lit fixe sont les biofiltres immergés aérés à remplissage granulaire. Certains mettent en oeuvre des matériaux granulaires ayant une densité supérieure à celle de l'eau (sable) tandis que d'autres utilisent des supports flottants (Cf. DE-A-25 49 415, GB-A-2 239 192, FR-A-2 498 589, FR-A-2 669 917, FR-A-2 670 682, FR-A-2 673 932). Toutefois un inconvénient de ce type de bioréacteur est la présence d'une partie considérable de biomasse inactive en raison du colmatage rapide du lit et des limitations de diffusion. Il est donc indispensable d'effectuer des lavages fréquents du lit fixe, lavages qui interrompent le traitement et produisent des quantités importantes d'eaux de lavage à recycler ou à traiter spécifiquement. Il serait donc intéressant de disposer d'un procédé de traitement biologique qui ne présente pas ces inconvénients et qui permette toutefois un traitement efficace des eaux résiduaires. Ceci est obtenu selon la présente invention qui fournit un procédé de traitement biologique de liquide dans un réacteur contenant du liquide à traiter et des particules supports de microorganismes, de densité inférieure a celle du liquide à traiteur, formant un lit flottant dans le lit liquide, procédé dans lequel, pour le traitement, on établit un lit flottant fixe dans un réacteur à au moins deux zones séparées par des parois verticales laissant des passages libres en dessus et en dessous desdites parois et dans lequel, pour le lavage du lit de particules, on insuffle un gaz à la partie inférieure d'au moins une desdites zones pour créer dans le réacteur une circulation à co-courant des phases solide, gazeuse et liquide en flux ascendant dans la zone insufflée et en flux descendant dans l'autre ou les autres zones. Selon une variante particulièrement avantageuse, le traitement biologique est effectué en flux descendant, avec répartition du liquide à traiter à la partie supérieure du lit flottant, celui-ci étant avantageusement constitué par des particules de granulométrie non homogène. De ce fait, les particules les plus grosses se trouvent dans la partie supérieure du lit et forment une couche protectrice qui retient les éventuelles matières en suspension en diminuant les risques de colmatage du lit. Le lavage du lit s'effectue par insufflation d'un gaz, qui peut être de l'air, de l'air appauvri en oxygène ou un tout autre gaz, par exemple un gaz de récupération. Lorsque le liquide à traiter est constitué par des eaux résiduaires, le gaz est avantageusement adapté au type de traitement en cours, aérobie, anoxique ou anaérobie. L'insufflation de gaz provoque une circulation à cocourant des trois phases en présence, autour des parois verticales, par les passages laissés libres entre celles-ci et le haut et le bas du réacteur. Le lavage du lit par un gaz présente plusieurs avantages. Il est simple à mettre en oeuvre et est de très courte durée, s'effectuant par exemple par injection de gaz pendant moins de cinq minutes. A l'arrêt de l'aération, les particules flottantes se tassent vers le haut et les boues en excès décantent, avec auto-séparation des phases. De ce fait, le fonctionnement du réacteur peut se faire de façon continue sans qu'il soit nécessaire d'arrêter l'alimentation en liquide à traiter et la collecte du liquide traité. En outre, il n'y a besoin d'aucun circuit de liquide de lavage, ni pour l'amener ni pour le collecter. I1 n'est pas en outre nécessaire de prévoir une quelconque installation de traitement du liquide de lavage. En dehors de l'avantage de l'auto-sélection de la granulométrie du support, la mise en oeuvre du lit fixe flottant en flux descendant présente un avantage particulier lorsque le traitement biologique comporte les trois étapes classiques de traitement de la pollution carbonée, de nitrification et de dénitrification. En effet, le parcours du lit en flux descendant provoque un piégeage des bulles de gaz (azote) produit pendant l'étape de dénitrification, ce qui entraîne une expansion importante, généralement, supérieure à 20X, du lit flottant. Cette expansion d'un lit fixe flottant triphasique améliore le transfert entre les matières solides et le liquide et retarde davantage le colmatage du lit. Comme particules supports de microorganismes, on utilise de préférence un matériau granulaire en matière plastique, n'absorbant pas l'eau, et de forme quelconque, de préférence irrégulière afin d'éviter toute répartition homogène qui facilite le colmatage ou la formation de chemins préférentiels. On utilisera en général un matériau ayant une masse volumique réelle inférieure de 0,15 + 0,10 g/cm3 à celle du liquide à traiter. Dans le cas d'eaux résiduaires, la masse volumique réelle sera généralement comprise entre 0,85 et 0,90 g/cm3 avec une granulométrie comprise entre 0,5 et 10 mm avec, comme indiqué précédemment, une distribution granulométrique large.On notera en outre que la présence d'une phase solide de faible densité comme celle mentionnée précédemmrnt, diminue considérablement les besoins énergétiques pour le lavage du lit, en nécessitant de faibles débits de gaz, bien plus réduits que ceux utilisés dans les procédés avec des supports non flottants, et ceci en présence de taux de remplissage élevés pouvant dans ce cas aller de 30 à 8OX volume/volume et de préférence de 50 à 60X volume/volume, ce qui permet d'augmenter de façon importante la quantité de biomasse active dans le réacteur. On obtient de ce fait une activité maximale de la biomasse fixée sur les particules supports et l'on obtient alors des rendements plus élevés du réacteur. Un tel procédé de traitement est en outre particulièrement avantageux sur le plan économique, puisque le traitement en lui-meme se fait sans aucun apport d'énergie et que l'insufflation d'air pour le lavage n'entraîne que des dépenses d'énergie relativement faibles. L'invention fournit en outre un dispositif de mise en oeuvre du procédé, consistant en un réacteur comportant au moins deux zones séparées par des parois verticales laissant des passages libres en dessus et en dessous desdites parois et comportant dans une desdites zones un dispositif d'insufflation de gaz. Dans une variante préférée de l'invention, le dispositif est équipé d'un dispositif de répartition du liquide à traiter à la partie supérieure du réacteur de façon à ce que le traitement du liquide se fasse en flux descendant selon le mode de réalisation préférentiel du procédé précédent. Le procédé a une application particulière pour le traitement de la pollution particulaire (présence de matières en suspension) et/ou dissoute d'un liquide, et notamment d'eaux résiduaires. D'autres caractéristiques et avantages selon la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre illustratif en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma d'un dispositif mettant en oeuvre la phase de traitement biologique selon la présente invention, la figure 2 est un schéma d'un dispositif mettant en oeuvre la phase de lavage selon la présente invention, et la figure 3 est un schéma d'un dispositif utilisant en outre un dispositif d'agitation. Un réacteur 1, par exemple mais non obligatoirement de section circulaire, est séparé en au moins deux zones par une ou plusieurs parois verticales. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2, le réacteur est séparé en trois zones 3, 4 et 5 par deux parois verticales 2 Les particules flottantes sont réparties de façon homogène dans les trois zones 3, 4 et 5 en formant un lit flottant. Au contraire de ce qui se passe pour les lits fixes nécessitant un plancher de maintien du lit dans la partie inférieure pour les matériaux denses ou supérieure pour les matériaux flottants, ce lit flottant reste immergé par l'action combinée des forces de gravité et d'Archimède, sans qu'aucun dispositif de maintien du lit soit nécessaire tant en haut qu'en bas. Ceci constitue d'ailleurs une simplification importante du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Lorsque, comme représenté, la granulométrie des particules 8 est variable, les particules de plus gros s dimensions 8a restent dans la partie supérieure du lit tandis que les fines 8b se maintiennent en bas du lit, avec pour conséquence que les particules 8a ont une première action de filtration sur les matières en suspension introduites avec le liquide à traiter. L'eau à traiter 9 est répartie par un système de distribution 10 situé au dessus du lit flottant de particules 8. A cet effet, divers dispositifs de répartition peuvent être utilisés, et on ne citera à titre d'exemple que des rampes perforées ou à déversoirs parallèles ou concentriques. Le traitement du liquide s'effectue pendant le parcours en flux descendant du liquide vers le bas du lit, selon les flèches A. L'eau traitée est évacuée par la conduite 11, de préférence à travers un dispositif de séparation de phases 12, comprenant au moins deux rangées d'obstacles disposées en quinconce dont l'utilisation est particulièrement intéressante lors du lavage du lit flottant. Pour le cycle de lavage, qui s'effectue sans introduction d'eau de lavage, le réacteur 1 est équipé d'un dispositif d'injection de gaz 7 situé, par exemple, dans la zone 4. L'injection d'un gaz de lavage 13, par exemple de l'air, induit une circulation homogène à cocourant de la phase solide 8, de la phase liquide et des bulles de gaz 14 selon les flèches B (figure 2). Pendant cette circulation, le matériau granulaire 8 est débarrassé des matières en suspension et/ou de la biomasse en excès.Les boues de lavage sont évacuées en 15, de préférence par l'intermédiaire d'une zone de décantation 6, située en dessous du dispositif de séparation de phases 12 qui, comme décrit dans la demande de brevet française N 95 04833, facilite la séparation entre d'une part la phase solide et d'autre part les phases liquide et gazeuse. A l'arrêt de l'insufflation, les particules 8 reforment le lit flottant tel qu'illustré sur la figure 1, tandis que le reste des boues en excès continue de décanter dans la zone 6. La figure 3 représente une variante du réacteur de la figure 1, dans laquelle il est prévu un dispositif d'agitation 15, par exemple dans la zone centrale 4, tournant par exemple dans le sens des flèches C. Ce dispositif 15 peut, comme représenté sur la figure, être situé en dessous du dispositif d'injection de gaz 7, mais on peut également envisager de le disposer audessus de ce dispositif. Cette agitation améliore l'efficacité du lavage et en outre l'utilisation d'un tel dispositif d'agitation permet de donner au lit flottant, pendant la période de traitement en flux descendant, une certaine agitation qui limite encore les risques de colmatage du lit et le développement d'un excès de biomasse sur les particules, ce qui facilite et minimise encore le lavage par injection de gaz et sa fréquence. REVENDICATIONS 1.- Procédé de traitement biologique de liquides dans un réacteur contenant du liquide à traiter et des particules supports de microorganismes, de densité inférieure à celle du liquide à traiteur, formant un lit flottant dans le liquide, caractérisé en ce que, pour le traitement, on établit un lit flottant fixe dans un réacteur à au moins deux zones séparées par des parois verticales laissant des passages libres en dessus et en dessous desdites parois et en ce que, pour le lavage du lit de particules, on insuffle un gaz à la partie inférieure d'au moins une desdites zones pour créer dans le réacteur une circulation à co-courant des phases solide, gazeuse et liquide en flux ascendant dans la zone insufflée et en flux descendant dans l'autre ou les autres zones. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la granulométrie des particules est non homogène et l'eau à traiter parcourt le lit flottant en flux descendant. 3.- Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pendant la phase de fonctionnement et/ou de lavage, on agite les phases liquide, solide et gazeuse à l'aide d'un agitateur situé dans au moins une desdites zones. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendicetions 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise comme particules supports de microorganismes un matériau granulaire dont la masse volumique est inférieure de 0,15 t 0,10 g/cm3 à celle du liquide à traiter. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu on utilise comme particules supports de microorganismes un matériau ayant une granulométrie de 0,5 à 10 mm. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le taux de remplissage en matériau solide est compris entre 30 et 80% en volume. 7.- Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour le traitement de la pollution particulaire et/ou dissoute d'un liquide. 8.- Dispositif de mise en oeuvre du procédé de traitement biologique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en un réacteur (1) équipé d'au moins une paroi verticale (2) séparant le réacteur en au moins deux zones (3, 4, 5) et laissant des passages libres au-dessus et au-dessous de ladite paroi, comportant une arrivée de liquide (9) et une collecte de liquide (11), et un lit flottant de particules supports de microorganismes (8), ainsi qu'un dispositif d'insufflation de gaz (7) situé à la partie inférieure de l'une desdites zones (3, 4, 5). 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif d'amenée de liquide à traiter (9) est re relié à un dispositif de répartition (10) du liquide à traiter à la partie supérieure du lit flottant et qu'il est prévu à la partie inférieure du réacteur, en dessous du dispositif d'injection de gaz (7), à un dispositif de séparation de phases (12). 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de séparation de phases (12) est constitué par au moins deux rangées d'obstacles disposées en quinconce.