Brevet FR2815957A1 — publié le 20020503

La présente invention concerne le traitement d'un effluent liquide, à savoir aqueux, comprenant une charge organique, ou substrat fermentescible, en vue d'obtenir une eau épurée, relativement pauvre ou appauvrie en ladite charge organique, par exemple une eau pratiquement exempte de charge organique et de biomasse. Plus particulièrement, l'invention s'intéresse aux procédés de traitement selon lesquels on procède à la digestion de la charge organique avec une biomasse, par exemple bactérienne, et ce de manière aérobie ou anaérobie, par exemple avec une boue activée dans le cas d'une fermentation aérobie. Par"biomasse", on entend la masse d'un matériel organique cellulaire, dont la croissance est alimentée par la charge organique fermentescible. Par exemple, dans un procédé tel que défini précédemment, on alimente la biomasse contenue dans un digesteur, avec un courant d'entrée obtenu à partir de l'effluent liquide, et on soutire de ladite biomasse, et donc du digesteur, au moins un courant de sortie aqueux, appauvri ou enrichi en biomasse. De manière à mettre la charge organique à fermenter ou digérer, ou substrat frais, au contact d'une biomasse de bonne qualité biologique, il est connu de recycler une partie de la biomasse à l'entrée du digesteur, laquelle se mélange et entre en contact avec le courant d'entrée. Comme la biomasse recyclée est en suspension dans une quantité d'eau relativement importante, et donc diluée, ceci impose de réintroduire dans le digesteur une quantité d'eau importante, ce qui impose, d'une part, de disposer d'un digesteur de volume intérieur important, toutes choses égales par ailleurs, et d'autre part, de mettre en circulation forcée des débits liquides importants. La présente invention a donc pour objet de remédier à cet inconvénient. Plus précisément, la présente invention a pour objet une solution permettant de réduire le volume utile de tout digesteur, sans pour autant affecter le pouvoir biodégradant de la biomasse présente au sein dudit digesteur, et ce pour un même courant d'entrée vers le digesteur. Conformément à l'invention, à cette fin, on procède à la digestion en au moins deux étapes successives de digestion (A, Z), à savoir : a) une première étape, au cours de laquelle on mélange le courant d'entrée avec un flux liquide recyclé, enrichi en biomasse, et on obtient un flux liquide appauvri en charge organique, et un flux gazeux résiduel séparé dudit flux liquide ; b) une dernière étape, au cours de laquelle on établit une boucle de circulation d'un flux liquide recirculé, on enrichit ce dernier en biomasse dans un étage de séparation, on alimente la boucle de circulation, en amont de l'étage de séparation, avec le flux liquide appauvri en charge organique provenant de l'étape précédente, et on extrait de ladite boucle de circulation, d'une part, grâce à l'étage de séparation, un courant de sortie aqueux, appauvri en biomasse, et d'autre part, en aval de l'étage de séparation, ledit flux liquide recyclé, enrichi en biomasse. Grâce à l'invention, le flux liquide recyclé à l'entrée du digesteur est concentré ou enrichi en biomasse, et corrélativement la quantité d'eau réintroduite dans le digesteur se trouve réduite. Si nécessaire, on extrait de la boucle de circulation un autre courant de sortie aqueux enrichi en biomasse, dont la quantité est déterminée par exemple pour appauvrir ou déconcentrer la biomasse en un ou plusieurs polluants, par exemple du type métaux lourds. Grâce à l'invention, on limite le volume aqueux réintroduit à l'entrée du digesteur, par unité de quantité de biomasse recyclée, et ce sans modifier le temps de séjour biologique de la biomasse au sein du réacteur. De ce fait, le temps de séjour hydraulique est déterminé essentiellement par la quantité ou débit du courant d'entrée, ce qui permet de dimensionner le digesteur selon un volume utile beaucoup plus faible, toutes choses égales par ailleurs. La solution selon l'invention apporte en outre l'avantage essentiel suivant : Dans la boucle de recirculation associée à la dernière étape de digestion, la biomasse se trouve relativement privée de substrat fermentescible, par rapport à la première étape de digestion. Corrélativement, afin de se nourrir, la biomasse s'autodétruit en partie, ce qui a deux conséquences : 3 - d'une part, la quantité de biomasse produite diminue sensiblement ; à la limite, il peut être envisagé d'évacuer une faible quantité de biomasse du digesteur, par exemple suffisante pour déconcentrer la biomasse en certains polluants, comme phosphore et métaux lourds ; - d'autre part, la biomasse survivant au terme du phénomène constaté d'autodestruction a une bien meilleure qualité bactériologique. Il en résulte aussi que la biomasse recyclée à l'entrée du digesteur est de bien meilleure qualité que celle normalement réintroduite au contact du substrat frais à fermenter ou digérer. La présente invention est maintenant décrite en référence au dessin annexé, dont la figure unique représente un digesteur conforme à l'invention, associé à un étage extérieur de séparation, et ce de manière schématique. De manière générale, le digesteur 13 représenté et associé à un étage extérieur 8 de séparation, permet de traiter un effluent liquide, à savoir aqueux, comprenant une charge organique, ou substrat fermentescible, dont la quantité ou concentration est exprimée en demande biochimique en oxygène (D B 0) et/ou demande chimique en oxygène (DCO), et ce pour obtenir par le conduit 3 une eau épurée en charge organique, présentant une DCO beaucoup plus faible que celle de l'effluent liquide. Ce traitement intervient par digestion de la charge organique, ou substrat, dans le digesteur 13, avec une biomasse, ou boue activée, de manière aérobie ou anaérobie, selon les bactéries mises en oeuvre aux fins de la digestion. On obtient ainsi une biomasse en excès, laquelle est recyclée et/ou évacuée du digesteur, par le conduit 10 sur la boucle 7 de circulation décrite ci-après. Dans toute la description ci-après, par liquide)), on entend tout courant, flux ou autre volume statique ou en mouvement, d'un milieu aqueux, dans lequel est suspendue la biomasse, de manière plus ou moins concentrée, sans pour autant empêcher l'aptitude dudit milieu aqueux à être pompé avec des moyens traditionnels, ou mis de manière générale en circulation forcée. Le digesteur 13 représenté comprend : - une paroi 15 extérieure, ayant la forme d'une virole cylindrique, et délimitant une enceinte 16 de digestion ; cette paroi 16 comprend une partie inférieure 15b, ou fond, ainsi qu'une partie supérieure 15a, ou toit, de forme tronconique ; hormis les entrées et sorties décrites ci-après, l'enceinte 16 de digestion est étanche vis-à-vis de l'extérieur, par rapport au gaz et liquides y circulant ; au moins trois, et par exemple en l'occurrence cinq parois intérieures continues, à savoir cinq viroles intérieures 21 à 25, disposées concentriquement (sauf 21) les unes à l'intérieur des autres, et à l'intérieur de la virole extérieure 15, de telle sorte que chaque dite virole se trouve à l'intérieur d'une virole externe ; ces parois intérieures continues déterminent ensemble et entre elles, au moins trois compartiments annulaires ou cylindriques, et en l'occurrence et par exemple cinq compartiments, à savoir respectivement Y, A, B, C et Z dont les fonctions seront décrites ci-après ; la virole centrale 25 a la forme d'un pot à fond tronconique ; une entrée 17 pour un courant 2 obtenu à partir de l'effluent liquide à traiter, communiquant avec la base du compartiment tampon Y décrit ci-après ; une sortie 18 pour un courant aqueux, appauvri en biomasse, communiquant avec la base du pot central délimité par la virole 25 ; une entrée 27 pour un courant aqueux enrichi en biomasse, communiquant avec la partie supérieure du pot central précité ; un orifice 29 de mise à l'atmosphère, des compartiments C et Z uniquement, disposé sur la partie supérieure 15a, ou toit du digesteur ; une sortie 28 pour un flux gazeux résiduel, ou biogaz, disposée sur le toit précité du digesteur pour les compartiments Y, A et B uniquement ; une conduite 31 de déversement par trop-plein d'un flux liquide enrichi en biomasse ; des moyens 14 de circulation forcée, consistant en une pompe dont l'aspiration communique avec le compartiment tampon Y décrit ci-après, et dont le refoulement communique avec le bas du premier compartiment de digestion A décrit ci- après ; les moyens 14 de circulation forcée permettent de faire circuler un même flux liquide en cours d'enrichissement en biomasse, au sein de l'enceinte 16 de digestion, verticalement et alternativement de haut en bas et de bas en haut. Il résulte de la description précédente que le digesteur comprend au moins trois compartiments de digestion disposés en série, en l'occurrence et par exemple : un premier compartiment A délimité entre les viroles 15 et 23, dans lequel le flux liquide circule de bas en haut un premier compartiment intermédiaire B, délimité entre les viroles 23 et 24, dans lequel le flux liquide circule de haut en bas ; et un deuxième compartiment intermédiaire C dans lequel le flux liquide circule de bas en haut ; - et un dernier compartiment Z appartenant à la boucle 7 de recirculation décrite ci-après, et délimité par le pot central défini par la virole centrale 25. Chaque compartiment précédemment décrit forme donc un réservoir de stockage et de circulation alternée du flux liquide en cours d'enrichissement en biomasse. Ces compartiments sont fermés ensemble et en commun par la partie supérieure 15a, ou toit, de la paroi 15 du digesteur. Dans le sens de circulation du flux liquide précité, et grâce aux moyens 14 de circulation forcée, un compartiment donné communique, d'une part avec le compartiment suivant, par l'intermédiaire d'un déversoir, par exemple 191 entre le premier compartiment A et le premier compartiment intermédiaire B, et 192 entre le deuxième compartiment intermédiaire C et le dernier compartiment Z, et d'autre part, avec le compartiment précédent, par un passage dans la cloison séparant le compartiment donné du compartiment précédent, par exemple par un passage 20 disposé au bas de la virole 24 formant cloison entre les compartiments B et C. Le compartiment Y disposé à l'intérieur de la virole 21, communiquant à son pied, d'une part avec l'entrée 2 pour le courant liquide obtenu à partir de l'effluent, et d'autre part avec le refoulement de la pompe 14, assure une fonction de réservoir tampon. Le dernier compartiment de digestion Z communique, d'une part par une sortie 18 avec l'entrée 26 d'un étage 8 de séparation, lequel permet d'enrichir en biomasse un flux liquide recyclé décrit ci-après, et d'autre part par une entrée 27 avec la sortie du même étage de séparation. Cet étage 8 de séparation peut travailler par perméation ou centrifugation, selon le matériel mis en place dans ledit étage. Un autre moyen de circulation forcée, ou pompe 15, permet de recirculer le flux liquide dans la boucle 7 de circulation, dans laquelle sont compris et le pot central déterminé par la virole 25, et l'étage de séparation 8, ainsi que la pompe 15. Un conduit 4 de recyclage relie par une dérivation la sortie de l'étage de séparation 8 et l'aspiration du moyen 14 de circulation forcée, laquelle communique également avec l'entrée 2 pour le courant d'entrée obtenu à partir de l'effluent liquide, par l'intermédiaire du bas du compartiment tampon Y Le dernier compartiment de digestion Z et/ou l'avant dernier compartiment C de digestion sont agencés par rapport à la partie supérieure de la paroi 15 du digesteur, ou son toit, pour former une capacité 12, fermée par un couvercle démontable, de recueil d'un flux gazeux résiduel 62, ou biogaz. Cette capacité 12 communique par l'orifice 29 de mise à l'atmosphère, librement, avec l'extérieur du digesteur 13, en étant séparée par une cloison étanche 30, formée par un prolongement de la virole 24 vers le haut, par rapport à une autre capacité de recueil 11 d'un autre flux gazeux résiduel 61, ou biogaz. Cette autre capacité 11 est commune aux autres compartiments A, B, Y, et est formée ou délimitée par rapport au toit 15a du digesteur. Comme le montre la figure en annexe, le niveau de déversement dans le dernier compartiment Z et/ou l'avant dernier compartiment C de digestion, est supérieur au niveau de déversement dans un dit autre compartiment de digestion, par exemple du compartiment A au compartiment B. Le compartiment Z est alimenté en flux liquide appauvri en charge organique par déversement 192 au-dessus de la cloison 25. La conduite 31 de déversement du flux liquide enrichi en biomasse est agencée pour communiquer avec le dernier compartiment Z de digestion, lorsque le flux liquide dans ce compartiment passe au-dessus du niveau choisi pour la réserve liquide dans le compartiment 31. Le fonctionnement du digesteur précédemment décrit, en association avec l'étage 8 de séparation, se déduit de la description précédente. On procède à la digestion de la charge organique fermentescible en au moins deux étapes successives, et en l'occurrence et à titre d'exemple en quatre étapes successives A, B, C, Z de digestion, à savoir : une première étape A au cours de laquelle, grâce au moyen de circulation 14, on mélange un courant d'entrée 2 obtenu à partir de l'effluent liquide, avec un flux liquide recyclé par le conduit 4, enrichi en biomasse, et on obtient un flux liquide 51 appauvri en charge organique, et un flux gazeux résiduel 61, ou biogaz, séparé du flux liquide dans la capacité 11 ; - au moins deux étapes intermédiaires B et C de digestion, et/ou dégazage entre la première étape de digestion A et la dernière étape Z de digestion, décrite ci-après ; au début ou à l'issue de chaque étape intermédiaire de digestion, on fait couler un flux liquide, par exemple 51 ou 52, comprenant la biomasse, au contact d'une atmosphère gazeuse contenue dans une capacité, par exemple 11 ou 12, moyennant quoi on sépare dans chaque dite capacité un flux gazeux résiduel, par exemple 61 ou 62, ou biogaz, enrichi en composés non fermentescibles, par exemple méthane ; une dernière étape Z de fermentation, au cours de laquelle on établit une boucle 7 de circulation précédemment décrite, permettant de recirculer un flux liquide, on enrichit ledit liquide recirculé en biomasse dans l'étage 8 de séparation ; on alimente la boucle 7 de circulation, en amont de l'étage 8 de séparation, avec le flux liquide 52 appauvri en charge organique provenant de l'étape précédente de digestion C, et on extrait de la boucle 7 de circulation, d'une part, grâce à l'étage 8 de séparation, un courant 3 de sortie aqueux, appauvri en biomasse, ou jus clair, et d'autre part, en aval de l'étage 8 de séparation, un flux liquide recyclé par le conduit 4 enrichi, en biomasse, et un courant 10 également enrichi en biomasse (ou excès de boues produites) correspondant à la purge de déconcentration. Le cas échéant, on extrait de la boucle 7 de circulation, un autre courant 9 de sortie, aqueux, enrichi en biomasse, par la conduite de déversement 31 ou trop-plein. Comme déjà indiqué, dans l'étage 8, la séparation est effectuée, soit par perméation, soit par décantation centrifuge. Tout excès du courant d'entrée 2 par rapport au courant 3 de sortie, appauvri en biomasse, génère un flux liquide de trop-plein, dérivé du courant liquide d'entrée 2, dans le compartiment Z. Selon le cas, tout ou partie de la digestion, dans les compartiments A, B, C et Z est effectuée de manière aérobie ou anaérobie. De manière non représentée, si nécessaire, lors de chaque étape de digestion A, B, C, sauf lors de la dernière étape de digestion Z, on extrait une partie du flux liquide de sortie 51 ou 72, appauvri en charge organique, obtenu au terme de l'étape de digestion considérée, et on recycle cette partie et on la mélange avec le flux liquide d'entrée, enrichi en charge organique, introduit lors de la même étape de digestion considérée. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un effluent liquide comprenant une charge organique fermentescible, selon lequel on procède à la digestion de cette dernière avec une biomasse (1), en alimentant ladite biomasse avec un courant d'entrée (2) obtenu à partir de l'effluent liquide, et en soutirant de ladite biomasse au moins un courant (3) de sortie aqueux, appauvri ou enrichi en biomasse, caractérisé en ce qu'on procède à la digestion en au moins deux étapes successives de digestion (A, Z), à savoir : a) une première étape (A), au cours de laquelle on mélange le courant d'entrée (2) avec un flux (4) liquide recyclé, enrichi en biomasse, et on obtient un flux liquide (51) appauvri en charge organique, et un flux gazeux résiduel (61) séparé dudit flux liquide ; b) une dernière étape (Z), au cours de laquelle on établit une boucle (7) de circulation d'un flux liquide recirculé, on enrichit ce dernier en biomasse dans un étage (8) de séparation, on alimente la boucle (7) de circulation, en amont de l'étage (8) de séparation, avec le flux liquide (52) appauvri en charge organique provenant de l'étape précédente (C), et on extrait de ladite boucle (7) de circulation, d'une part, grâce à l'étage (8) de séparation, un courant (3) de sortie aqueux, appauvri, voire exempt de biomasse, et d'autre part, en aval de l'étage (8) de séparation, ledit flux (4) liquide recyclé, enrichi en biomasse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on extrait de la boucle (7) de circulation, un autre courant (10) de sortie aqueux enrichi en biomasse, dont la quantité est déterminée par exemple pour appauvrir la biomasse en un ou plusieurs polluants, par exemple du type métaux lourd. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'étage de séparation (8), ladite séparation est effectuée par perméation ou décantation centrifuge. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une étape intermédiaire (B, C) de digestion existe entre la première (A) et la dernière (Z) étapes de digestion, au début ou à l'issue de laquelle on fait couler un flux liquide (51,52) comprenant la biomasse au contact d'une atmosphère gazeuse (11,12), moyennant quoi on sépare un flux gazeux résiduel (61,62) par exemple méthane. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la digestion est effectuée de manière aérobie ou anaérobie.