Brevet FR2745001A1 — publié le 19970822

La présente invention est relative à un réacteur du type à cultures mixtes destiné à l'élimination biologique de la pollution organique des eaux ainsi qu'à l'élimination biologique des nitrates par voie anoxique. Avant d'expliciter l'invention, il convient de rappeler un certain nombre de définitions et notamment celles du terme cultures mixtes par rapport aux boues activées et aux cultures fixées: - boues activées: la biomasse est libre, en suspension dans un bassin aéré ou non; - cultures fixées : la biomasse est fixée sur un support solide, et l'aspect général de l'équipement est le plus souvent comparable à un filtre; - cultures mixtes : la biomasse est accrochée sur des particules supports, formant ainsi ce qui sera appelé ci-après des bioparticules qui sont maintenues en suspension dans le flux d'eau à traiter. Par ailleurs, les cultures fixées assurent une fonction sélection et enrichissement de la biomasse en bactéries spécifiques aux conditions de traitement, notamment les bactéries hétérotrophes dénitrifiantes dans le cas des réacteurs de dénitrication biologique , caractéristique avantageusement reprise dans le cas des cultures mixtes. On connaît déjà des dispositifs permettant de réaliser une dénitrification des effluents à l'aide de bactéries réduisant l'azote nitrique à un état plus faible d'oxydation. Ces dispositifs connus sont notamment les suivants: - les réacteurs biologiques à boues activées; - les réacteurs à cultures fixées, à lits granulaires et à lits à ruissellement. Ces dispositifs connus présentent l'inconvénient: - pour les réacteurs à boues activées d'être volumineux; - pour les réacteurs à cultures fixées de requérir des équipements complémentaires, en particulier pour assurer le maintien des conditions hydrauliques (lavages, détassages, etc...), et d'être consommateurs d'énergie. L'invention s'est fixé pour objectif de créer un réacteur plus compact que ceux des systèmes à boues activées, économique tant en coûts d'équipement que de fonctionnement et permettant d'assurer dans les meilleures conditions l'élimination biologique de la pollution notamment azotée. A cet effet, la présente invention a pour objet un réacteur du type à cultures mixtes destiné à l'élimination biologique de la pollution organique des eaux ainsi qu'à l'élimination biologique des nitrates par voie anoxique caractérisé en ce qu'il comprend: - un réacteur central agité, alimenté en eau brute et dans lequel s'effectue le traitement biologique, qui contient une suspension d'une biomasse fixée, à faible concentration, de l'ordre de quelques grammes par litre, ledit réacteur agité comportant au moins une hélice positionnée dans une gaine interne et coaxiale audit réacteur, I'eau circulant selon un courant ascendant ou descendant dans ladite gaine et dans le sens inverse descendant ou ascendant, à l'extérieur de celleci et selon une vitesse qui est choisie de manière que les bioparticules restent en suspens ion dans ledit réacteur agité et, - une zone de dégagement extérieure audit réacteur central agité et communiquant de préférence avec la partie inférieure de ce dernier, I'eau traitée dans ce réacteur agité s'échappant par ladite zone de dégagement, à la partie supérieure de celle-ci, selon un courant ascendant avec une vitesse telle que d'une part la vitesse de décantation des bioparticules est supérieure à la vitesse de l'eau et d'autre part, la vitesse de décantation de la biomasse en excès produite par les réactions biologiques notamment de dénitrification, est inférieure à la vitesse de l'eau. Selon un mode de réalisation de l'invention, I'eau à traiter est introduite dans la gaine, par exemple à la partie inférieure de celle-ci, et le courant de l'eau circulant dans cette gaine s'effectue dans le sens ascendant puis dans le sens descendant à l'extérieur de celle-ci. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, I'eau à traiter est introduite entre la gaine et la paroi inteme dudit réacteur, sa circulation s'effectuant dans le sens ascendant à l'extérieur de ladite gaine et dans le sens descendant à l'intérieur de celle-ci. Selon l'invention, la biomasse active contenue dans ledit réacteur est essentiellement fixée sur des particules, de préférence minérales de faible granulométrie, c'est-à-dire comprise entre 50 et 500 microns, de préférence 100 à 300 microns. Selon la présente invention, la concentration des bioparticules en suspension dans ledit réacteur ajouté est de l'ordre de 5 à 100 grammes de bioparticules par litre (matériau support + biomasse fixée) et de préférence de 10 à 40 grammes par litre. Selon l'invention, le support de la biomasse peut être constitué par un matériau de densité supérieure à 1, organique ou minéral, de préférence de la famille des silico-aluminates, notamment une argile kaolinique, ou par du sable fin. Afin d'augmenter la zone de contact entre l'eau à traiter et les bioparticules, on prévoit des moyens du type déflecteurs disposés à la partie inférieure de la zone de dégagement de manière à assurer une extension de la zone réactive et un maintien des bioparticules dans cette zone. Selon une variante du dispositif de l'invention, on prévoit des moyens d'injection d'air dans la circulation de l'eau, de préférence entre ladite gaine et la paroi interne du réacteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins: - La figure 1 est une vue schématique en coupe axiale verticale du mode de réalisation général d'un réacteur selon l'invention et, - La figure 2 est une vue similaire à la figure 1 d'un exemple de réalisation préféré du réacteur de l'invention. - La figure 3 est une vue similaire aux figures 1 et 2 illustrant une variante du réacteur selon l'invention. - La figure 4 est une vue similaire aux figures 1 à 3 illustrant une variante du réacteur selon l'invention intégrant des systèmes du type déflecteurs. - La figure 5 est une vue en plan illustrant une variante d'un réacteur selon l'invention réalisée sous la forme d'une enceinte parallélépipédique comportant une pluralité d'hélices positionnées dans la partie centrale du réacteur. - La figure 6 illustre encore une autre variante du réacteur selon l'invention et, - Les figures 7 à 9 sont des vues schématiques similaires aux figures 1 à 4 illustrant d'autres exemples de réalisation du réacteur selon la présente invention. En se référant aux figures et notamment aux figures 1 à 3, on voit que, dans ces exemples de réalisation, le réacteur selon la présente invention comporte deux parties: - un réacteur central agité 1 dans lequel est positionnée une gaine 3 recevant une hélice 2 à sa partie supérieure, cette hélice étant entraînée par tout moteur approprié. L'eau à traiter circule selon un courant ascendant, ou descendant, dans ladite gaine et dans le sens inverse, descendant ou ascendant à l'extérieur de cette gaine. L'eau est éventuellement additionnée d'un substrat carboné par exemple du méthanol, de l'éthanol, etc...; - une zone de dégagement, 4 extérieure au réacteur central 1, communiquant avec ce dernier par sa partie inférieure 5, I'eau traitée dans ce réacteur s'échappant par cette zone de dégagement, à la partie supérieure de celle-ci. Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 2, I'eau brute à traiter est introduite dans la gaine 3, de préférence à sa partie inférieure 6. L'eau circule dans la gaine selon un mouvement ascendant et, selon un mouvement descendant à l'extérieur de la gaine. L'eau provenant du réacteur agité 1 s'échappe au travers de la zone de dégagement 4 selon un courant ascendant afin d'être recueillie dans des goulottes telles que 7 disposées à la partie supérieure du réacteur selon l'invention. Dans l'exemple de réalisation illustré par les figures 1 et 2, le réacteur est de forme cylindrique à axe vertical et le réacteur agité 1 est coaxial au réacteur proprement dit. On peut bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention envisager toute autre forme. Ainsi le réacteur peut se présenter sous la forme d'une enceinte ou d'un canal parallélépipédique allongé comportant en son centre le réacteur agité, muni d'une ou de plusieurs hélices gainées, se présentant également sous la forme d'une enceinte parallélépipédique disposée selon son axe longitudinal. Dans cette variante illustrée par la figure 5, la figure 1 du dessin annexé constitue une section droite d'un tel réacteur. On voit que dans ce cas, il est prévu une pluralité d'hélices gainées telles que 2'. Le dispositif comporte en outre un système de purge 9 destiné à assurer la déconcentration ou l'ajustement de la concentration, de façon éventuelle ou systèmatique, des bioparticules contenues dans le réacteur 1, ainsi que la vidange de ce réacteur et l'élimination des particules lourdes. On prévoit également un moyen 10 de recharge en matériau support (argile ou autre). Le réacteur selon l'invention contient une biomasse active, à faible concentration, c'est-à-dire de l'ordre de 5 à 100 grammes par litre, et de préférence 10 à 40 grammes par litre qui est fixée sur des particules minérales de faible granulométrie, c'est-à-dire de l'ordre de 50 à 500 microns et de préférence 100 à 300 microns. Le matériau utilisé comme support de la biomasse peut être avantageusement un minéral de la famille des silico-aluminates (par exemple une argile kaolinique) ou un sable fin. L'hélice gainée 2 maintient en mouvement l'eau qui est contenue dans le réacteur agité : dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 2 son sens de rotation est tel qu'elle fait circuler cette eau selon un mouvement ascendant dans la gaine 3 et selon un mouvement descendant à l'extérieur de cette gaine, entre cette dernière et la paroi du réacteur agité 1. Dans la variante représentée sur la figure 3, son sens de rotation est tel que l'eau circule selon un mouvement ascendant à l'extérieur de la gaine et descendant dans celle-ci. Dans cette variante, I'alimentation en eau à traiter s'effectue par l'intermédiaire d'un système torique représenté schématiquement en 11. Les vitesses de l'eau sont telles que les bioparticules restent en suspension dans le réacteur agité 1 et c'est dans ce réacteur que s'effectue l'élimination biologique de la pollution, par exemple la dénitrification biologique. L'hélice gainée a également pour fonction d'apporter une énergie d'agitation dont l'effet est de limiter, par cisaillement, la quantité de biomasse fixée sur les bioparticules. A sa sortie du réacteur agité 1 I'eau s'échappe par la partie inférieure 5 de ce réacteur vers la zone de dégagement 4 dans laquelle elle est entraînée selon un courant ascendant. Sur les figures 2 et 3, les flèches indiquent clairement les sens de circulation de l'eau depuis son introduction à la base 6 du réacteur agité 1 jusqu'à son évacuation, après traitement, dans des goulottes 7 disposées à la partie supérieure de la zone de dégagement 4. Dans cette zone de dégagement, la vitesse de l'eau est telle que: - les bioparticules ne sont pas entraînées par l'eau traitée : la vitesse de décantation des bioparticules est supérieure à la vitesse de l'eau et, - la biomasse en excès, c'est-à-dire les particules de biomasse produites par les réactions biologiques et qui sont arrachées par l'effet de cisaillement de l'hélice 2 ainsi qu'on l'a indiqué ci-dessus, sont entraînées par l'eau traitée : la vitesse de décantation de ces particules de biomasse en excès est inférieure à la vitesse de l'eau. Ainsi, et selon l'invention, I'adéquation mutuelle du réacteur et des bioparticules (densité et granulométrie) ainsi que les vitesses de l'eau permettent de maintenir les bioparticules en suspension dans la zone agitée 1 et de ne pas les entraîner dans la zone de dégagement 4, tout en maintenant une biomasse stable grâce à l'élimination de la biomasse en excès par l'effet de cisaillement de l'hélice 2. Sur la figure 4, on a représenté une variante du réacteur selon les figures 1 à 3 décrit ci-dessus. Cette variante a pour but d'augmenter la zone réactive à la partie inférieure 5 de la zone de dégagement 4. Dans l'exemple de réalisation non limitatif illustré par cette figure 4, on prévoit dans cette zone réactive des moyens du type déflecteurs représentés schématiquement en 8. Bien entendu, on peut utiliser tout autre moyen équivalent. La figure 6 illustre une variante du type aéré du réacteur selon la présente invention. Ainsi qu'on le voit sur cette figure, cette variante prévoit une injection d'air à l'aide de buse telles que 17 qui sont disposées à la partie inférieure du réacteur entre la gaine 3 et la paroi inteme du réacteur 1, I'air ainsi injecté circulant à contre courant de l'eau, à l'extérieur de la gaine. Bien entendu, on peut, sans sortir du cadre de l'invention prévoir des moyens d'injection d'air à cocourant de la circulation de l'eau. Les figures 7 à 9 illustrent diverses autres variantes du réacteur selon l'invention. Sur la figure 7, on voit que dans ce cas, la zone de dégagement 14 est séparée du réacteur agité et elle communique avec ce demier par l'intermédiaire d'une conduite 15. Dans cette variante, les particules entraînées dans la zone de dégagement exteme 14 sont ramenées dans le réacteur par l'intermédiaire d'une conduite 18. Dans la variante illustrée par la figure 8, la zone de dégagement 12 est extérieure au réacteur central agité 1 et elle est positionnée autour de la partie supérieure de ce réacteur avec lequel elle communique par l'intermédiaire de passages tels que 13 qui sont situés dans cette partie supérieure du réacteur. Enfin, la variante représentée sur la figure 9 comporte une zone de dégagement 15 qui est située à la partie supérieure du réacteur agité 1 et l'on prévoit un séparateur lamellaire 16 dans la partie supérieure de cette zone de dégagement. Le réacteur selon la présente invention peut s'appliquer en particulier à la dénitrification des eaux résiduaires urbaines c'est-à-dire: - à une pré-dénitrification: mélange d'eau brute et d'eau nitrifiée recirculée (le carbone nécessaire est trouvé dans la pollution carbonée de l'eau brute); - à une post-dénitrification : eau nitrifiée additionnée d'un substrat carboné (méthanol, éthanol , etc). On peut également utiliser le réacteur selon l'invention dans la dénitrification des eaux potables et également pour effectuer toute réaction biologique anoxie, anaérobie ou aérobie. Parmi les avantages apportés par la présente invention vis-à-vis des techniques existantes rappelées ci-dessus, on peut citer notamment les suivants: - par rapport aux dispositifs classiques par boues activées, I'invention permet d'obtenir une augmentation des charges volumiques appliquées, ce qui se traduit par une compacité des ouvrages apportant un grand nombre d'avantages parmi lesquels: insertion facilitée, couvertures plus aisées, élimination des odeurs, etc... - au regard des solutions classiques par cultures fixées du type biofiltres, I'invention apporte une diminution des coûts des équipements tant en ce qui concerne les investissements que les frais de fonctionnement; - par rapport aux réacteurs à cultures fixées du type lits fluidisés, I'invention, grâce à une faible concentration en bioparticules apporte les avantages suivants: - diminution des coûts des équipements et réduction des consommations énergétiques; - maîtrise des séquences d'arrêtldémarrage (faibles volumes de dépôt, facilité de remise en suspension) et - abrasion limitée (concentration faible de particules de petite taille dont l'abrasivité est en outre amoindrie par l'enrobage biologique). II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits etlou représentés mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Réacteur du type à cultures mixtes destiné à l'élimination biologique de la pollution organique des eaux ainsi qu'à l'élimination biologique des nitrates par voie anoxique caractérisé en ce qu'il comprend: - un réacteur central agité (1), alimenté en eau brute et dans lequel s'effectue le traitement biologique, qui contient une suspension d'une biomasse fixée, à faible concentration, de l'ordre de quelques grammes par litre, ledit réacteur agité comportant au moins une hélice (2) positionnée dans une gaine (3) inteme et coaxiale audit réacteur, I'eau à traiter circulant selon un courant ascendant ou descendant dans ladite gaine et dans le sens inverse, descendant ou ascendant à l'extérieur de celle-ci et selon une vitesse qui est choisie de manière que les bioparticules restent en suspension dans ledit réacteur agité et, - une zone de dégagement (4) extérieure audit réacteur central agité (1) et communiquant avec la partie inférieure (5) de ce dernier, I'eau traitée dans ce réacteur agité s'échappant par ladite zone de dégagement, à la partie supérieure de celle-ci, selon un courant ascendant avec une vitesse telle que, d'une part, la vitesse de décantation des bioparticules est supérieure à la vitesse de l'eau et d'autre part, la vitesse de décantation de la biomasse en excès produite par les réactions biologiques notamment de dénitrification, est inférieure à la vitesse de l'eau. 2 - Réacteur selon la revendication 1 caractérisé en ce l'eau à traiter est introduite dans la partie basse de la gaine (3) et elle circule selon un courant ascendant dans ladite gaine et selon un courant descendant à l'extérieur de celle-ci. 3 - Réacteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'eau à traiter est introduite entre ladite gaine (3) et les parois internes dudit réacteur (1) et elle circule selon un courant ascendant à l'extérieur de ladite gaine et selon un courant descendant à l'intérieur de celle-ci. 4 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est de forme cylindrique à axe vertical, le réacteur central agité (1) ainsi que la gaine (3) recevant l'hélice (2) étant également cylindriques et coaxiaux audit réacteur. 5 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la biomasse qu'il contient est fixée sur des particules de densité supérieure à 1, de faible granulométrie, de l'ordre de 50 à 500 microns et de préférence de l'ordre de 100 à 300 microns. 6 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la concentration des bioparticules en suspension dans le réacteur (1) est de l'ordre de 5 à 100 grammes par litre et de préférence de l'ordre de 10 à 40 grammes par litre. 7 - Réacteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le support de la biomasse est constitué par un matériau organique ou minéral, notamment de la famille des silico-aluminates et plus particulièrement une argile kaolinique. 8 - Réacteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le support de la biomasse est constitué par du sable fin. 9 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on prévoit des moyens pour augmenter la zone réactive à la partie inférieure (5) de la zone de dégagement (4) . 10 - Réacteur selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte des déflecteurs (8) positionnés à la partie inférieure (5) de ladite zone de dégagement (4) ainsi que dans cette demière. 11 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la zone de dégagement (12) extérieure au réacteur central agité (1) est positionnée autour de la partie supérieure de ce réacteur et elle communique avec ce dernier par l'intermédiaire de passages (13) situés dans cette partie du réacteur. 12 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que la zone de dégagement (14) est séparée du réacteur agité (1), et elle communique avec ce dernier par l'intermédiaire d'une conduite (15). 13 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que la zone de dégagement (15) est située à la partie supérieure du réacteur (1) et l'on prévoit en outre un séparateur lamellaire (16) dans la partie supérieure de cette zone de dégagement. 14 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection d'air (17) à contre-courant de la circulation de l'eau entre ladite gaine et la paroi inteme du réacteur. 15 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection d'air, à co-courant de la circulation de l'eau.