Brevet FR2840895A1 — publié le 20031219

La présente invention concerne un réacteur de dégradation biologique thermophile des boues extraites des installations de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines ou industrielles par dégradation enzymatique. On sait que les réactions biologiques sont universellement mises en #uvre pour assurer le traitement de la pollution biologique, domestique ou industrielle, et qu'elles conduisent à la production de quantités importantes de biomasse (boues biologiques) résultant de la croissance des espèces bactériennes utilisées pour la dégradation des matières organiques résiduaires. Les réglementations récentes relatives aux restrictions concernant la mise en décharge de ces boues biologiques et l'obligation de les traiter et de les stabiliser, conduisent à mettre en #uvre des techniques de Réduction de la Production des Boues (en abrégé RPB) dont l'importance dans les orientations techniques et économiques des industries de l'Environnement est croissante. L'Homme du métier dispose de très nombreuses technologies pour réduire la production des boues extraites des installations de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines ou industrielles, ces technologies allant des techniques d'incinération aux procédés d'hydrolyse enzymatique endogène, en passant par le compostage naturel ou thermique et l'hydrolyse oxydative avec ou sans altération physique des membranes cellulaires. Des études récentes concernant la RPB montrent que les procédés mettant en #uvre des techniques biologiques de RPB ont de plus en plus la faveur des professionnels de l'Environnement en raison, d'une part de l'efficacité des traitements et, d'autre part de la modicité des coûts opératoires desdites techniques biologiques. L'expérience dans ce domaine révèle cependant que ces techniques sont encore insuffisamment optimisées et qu'il reste à résoudre de nombreux problèmes, en particulier en ce qui concerne l'exploitation des réacteurs. Parmi ces problèmes techniques à résoudre, on peut citer notamment les suivants : - la consommation d'énergie thermique et mécanique des systèmes d'agitation dont l'ordre de grandeur est de 100 Watts/m3 ; - la régulation de la quantité d'oxygène nécessaire aux bactéries assurant la dégradation des matières organiques résiduaires ; - la régulation de la température des réacteurs ; - le contrôle des phénomènes de moussage et - la sélection et l'activation des bactéries spécifiques (par exemple Bacillus stearothermophilus) en condition de microaérophilie. La présente invention se propose donc d'apporter un réacteur qui résout notamment les problèmes techniques ainsi mentionnés. En conséquence, cette invention concerne un réacteur de dégradation biologique thermophile des boues extraites des installations de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines ou industrielles, par dégradation enzymatique, caractérisé en ce qu'il comporte une agitation physique, par injection de gaz, de l'effluent qu'il contient et des moyens de régulation des apports en oxygène en fonction des besoins spécifiques de la biomasse assurant la dégradation des matières organiques résiduaires, cette régulation des apports en oxygène étant indépendante de l'agitation de l'effluent par injection de gaz. Selon une caractéristique de l'invention, le réacteur comporte, à sa partie supérieure, une sonde de mesure de la teneur du gaz en oxygène permettant de réguler la quantité d'oxygène apportée au système réactionnel, par action sur une vanne raccordée à l'alimentation en oxygène. Selon une autre caractéristique de l'invention, le réacteur comporte un circuit de recyclage des gaz d'évent du réacteur, de façon à assurer un brassage de ce dernier ainsi qu'un réchauffage de l'effluent qu'il contient. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent deux exemples de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins : - la figure 1 du dessin représente de façon schématique un premier exemple de réalisation d'un réacteur selon l'invention et - la figure 2 est également une représentation schématique d'un second exemple de réalisation. Sur les figures, on a désigné par la référence 1 le réacteur dans lequel la suspension de boues à traiter, provenant par exemple d'une installation de traitement conventionnelle par boues activées, est introduite en 2, après un épaississement préalable, par l'intermédiaire d'un échangeur thermique 3, à circulation croisée avec l'effluent du réacteur 1 admis dans l'échangeur par l'intermédiaire d'une conduite 4. On peut, selon l'invention, prévoir sur le circuit d'alimentation de l'effluent, un échangeur complémentaire 17 alimenté par de la vapeur de chauffage, pouvant être utilisé lors des phases de démarrage et/ou en appoint. Selon l'invention, le réacteur 1 est soumis à une agitation par injection de gaz à l'aide d'un dispositif représenté schématiquement en 5 qui est équipé d'éléments répartiteurs 6 et qui est alimenté à partir d'une pompesoufflerie 7. Une vanne 8, raccordée à un moyen de stockage 9 d'oxygène (oxygène liquide ou air comprimé), assure l'apport en oxygène. Le réacteur comporte en outre, à sa partie supérieure, une sonde 10 de mesure de la teneur du gaz en oxygène qui permet de réguler, en fonction de besoins spécifiques de la biomasse contenue dans le réacteur, la quantité d'oxygène apportée au système réactionnel par l'intermédiaire de la vanne 8. La quantité d'oxygène qui est apportée au système réactionnel par l'intermédiaire de la vanne 8 peut être également régulée par les moyens suivants : - une sonde de mesure du pH de la fraction liquide, mesure qui permet de détecter la variation de la concentration en dioxyde de carbone (lorsque cette concentration augmente, le pH diminue et vice-versa), - une sonde de mesure du potentiel redox de la fraction liquide afin de le maintenir à un niveau de consigne souhaité et - une sonde de mesure de la concentration d'oxygène dissous dans la fraction liquide, afin de la maintenir à un niveau de consigne souhaité. Les deux exemples de réalisation illustrés respectivement par les figures 1 et 2 ne diffèrent que par le mode d'alimentation en oxygène ainsi que cela apparaît clairement sur ces figures. Le procédé de Réduction de Production de Boues par voie enzymatique mis en #uvre dans ce réacteur est du type décrit dans les publications EP 0 924 168 et 1 008 558. Ce procédé repose sur le développement d'une bactérie spécifique Bacillus stearothermophilus SPT 2-1. Sous sa forme non sporulée, cette bactérie produit en condition d'aérobiose ou de micro-aérobiose des enzymes tels que les protéases qui agissent sur les parois des organismes mésophiles contenus dans les boues activées. Le réacteur enzymatique 1 doit être maintenu à une température de consigne (entre 50 et 70 C) fixée de façon à permettre un développement optimal de la population bactérienne spécifique. Bien que selon l'invention, on effectue une récupération énergétique grâce à la présence de l'échangeur à courant croisé 3, qui permet de préchauffer les boues alimentant le réacteur 1 à l'aide des boues extraites du réacteur par la conduite 4, le bilan thermique du système est déficitaire et il est donc nécessaire de prévoir un appoint de chaleur. En effet, les pertes thermiques du système se décomposent de la manière suivante : # pertes par convection du réacteur et par les tuyauteries de l'installation ; # pertes par saturation en eau du gaz introduit dans le réacteur et # montée en température des boues d'alimentation préchauffées à la température de consigne fixée. A l'heure actuelle, les réacteurs enzymatiques mettant en #uvre un tel procédé RPB ont été conçus de la manière suivante : - appoint de chaleur par injection de vapeur dans les boues alimentant le réacteur et - injection d'air surpressé par l'intermédiaire d'un moyen de répartition (plancher) ou d'un hydroéjecteur assurant la recirculation des boues du réacteur. Dans ces techniques connues, les évents du réacteur sont soit envoyés vers une unité de désodorisation (unité de désodorisation locale ou unité de la station de traitement) ou dans le bassin d'aération, soit rejetés à l'atmosphère. Une telle solution n'est pas satisfaisante tant sur le plan technique que sur le plan économique. Selon la présente invention, la limitation des pertes thermiques induites par l' inj ection de gaz est obtenue en recyclant les évents du réacteur, solution qui assure également un brassage de ce dernier, tout en maintenant, de façon indépendante l'apport d'oxygène nécessaire à la bonne marche du procédé. A cet effet, le réacteur 1 selon l'invention comporte, en partie supérieure, une purge gazeuse 15 dont le débit est régulé à l'aide d'une vanne 11, par l'intermédiaire d'une sonde 12 de mesure de la pression gazeuse du réacteur. On prévoit un circuit 13 de recyclage des gaz d'évent, ce circuit comportant un dévésiculeur 14 destiné à piéger les aérosols et les gouttelettes. Les gaz d'évent sont ensuite recyclés dans le réacteur 1 par l'intermédiaire de la conduite 16. Les caractéristiques des réacteurs enzymatiques auxquels s'applique la présente invention sont les suivantes : - temps de séjour hydraulique des boues dans le réacteur : de 24 à 48 heures ; - volume utile du réacteur : 50 à 5000 m3 ; - température de fonctionnement : d'environ 50 C à environ 70 C. Selon la présente invention, les débits minimaux de gaz nécessaires au brassage des réacteurs enzymatiques varient selon les dimensions de ces derniers de 4 à 10 Nm3/h.m2 de réacteur. Les besoins en oxygène pour maintenir l'activité de la population bactérienne spécifique sont compris entre 2 kg et 300 kg O2/h par réacteur suivant la taille. Le débit de recirculation des évents sera ainsi défini en fonction du débit minimal nécessaire au brassage et du débit de gaz (air, air enrichi en oxygène ou oxygène) nécessaire pour transférer dans le réacteur l'oxygène apporté au système réactionnel. Parmi les avantages apportés par la présente invention, on peut citer notamment les suivants : - une limitation du déficit thermique du procédé grâce à la recirculation des évents au sein du réacteur , une régulation dissociée de l'apport en oxygène nécessaire, pilotée par la mesure de paramètres physiques de la fraction liquide du réacteur (oxygène dissous, pH, redox) ou du gaz recirculé (teneur en oxygène), adaptant ainsi la concentration en oxygène dans le gaz aux besoins du procédé, - la possibilité d'obtenir le transfert de la quantité d'oxygène souhaitée dans le réacteur indépendamment de la hauteur d'eau et des performances de transfert de l'organe de répartition, favorisant ainsi une distribution homogène du gaz au moyen de système robustes (cannes d'injection, plancher moyennes bulles ) et limitant la création de mousses telle qu'elle se manifeste dans le cas des systèmes d'injection d'air sous forme de fines bulles, - l'absence de pièces mécaniques en mouvement à l'intérieur du réacteur. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Réacteur de dégradation biologique thermophile des boues extraites des installations de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines ou industrielles, par dégradation enzymatique, caractérisé en ce qu'il comporte une agitation physique (5,6), par injection de gaz, de l'effluent qu'il contient et des moyens de régulation (8,10) des apports en oxygène en fonction des besoins spécifiques de la biomasse assurant la dégradation des matières organiques résiduaires, cette régulation des apports en oxygène étant indépendante de l'agitation de l'effluent par injection de gaz. 2 - Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, à sa partie supérieure, une sonde (10) de mesure de la teneur du gaz en oxygène permettant de réguler la quantité d'oxygène apportée au système réactionnel, par action sur une vanne (8) raccordée à l'alimentation en oxygène (9). 3 - Réacteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la quantité d'oxygène qui est apportée au système réactionnel est régulée par les moyens suivants : - une sonde de mesure du pH de la fraction liquide, mesure qui permet de détecter la variation de la concentration en dioxyde de carbone (lorsque cette concentration augmente, le pH diminue et vice-versa), - une sonde de mesure du potentiel redox de la fraction liquide afin de le maintenir à un niveau de consigne souhaité et - une sonde de mesure de la concentration d'oxygène dissous dans la fraction liquide, afin de la maintenir à un niveau de consigne souhaité. 4 - Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (13) de recyclage des gaz d'évent du réacteur, de façon à assurer un brassage de ce dernier ainsi qu'un réchauffage de l'effluent qu'il contient. 5 - Réacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte, en partie supérieure, une purge gazeuse (15) dont le débit est régulé à l'aide d'une vanne (11), par l'intermédiaire d'une sonde (12) de mesure de la pression gazeuse du réacteur, un dévésiculeur (14) étant prévu sur le circuit de recyclage (13), les gaz d'évent étant recyclés dans le réacteur (1), à partir du dévésiculeur, par l'intermédiaire d'une conduite (16). 6 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur thermique (3), à circulation croisée avec l'effluent du réacteur admis dans l'échangeur, cet échangeur thermique assurant un réchauffement de l'effluent introduit dans le réacteur après épaississement préalable. 7 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les débits minimaux de gaz nécessaires au brassage varient selon les dimensions du réacteur de 4 à 10 Nm3/h. par m2 de réacteur. 8 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les besoins en oxygène pour maintenir l'activité de la population bactérienne spécifique sont compris entre 2 kg et 300 kg O2/h suivant la taille du réacteur. 9 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on prévoit sur le circuit d'alimentation de l'effluent, un échangeur complémentaire (17) alimenté par de la vapeur de chauffage, pouvant être utilisé lors des phases de démarrage et/ou en appoint.