Brevet FR2894248A1 — publié le 20070608

DISPOSITIF DE DESTRUCTION OXYDATIVE DE LA MATIERE INSOLUBLE DE BOUE D' EPURATION PAR COUPLAGE THERMIQUE ET ULTRASONS. L'invention est relative à un dispositif de destruction oxydative de la matière insoluble de boue d'épuration par couplage thermique et ultrasons, comportant un réacteur principal dans lequel est amenée la boue, ce réacteur principal étant muni de moyens d'injection d'air dans la boue. Il est connu qu'un des moyens pour réduire la quantité de boues de station d'épuration des eaux résiduelles urbaines (ERU) consiste à placer un réacteur de digestion aérobie thermophile entre une étape d'épaississement des boues et une étape de déshydratation des boues. Le procédé de digestion aérobie thermophile présente l'avantage de la simplicité puisqu'il se résume, en pratique, à une injection d'air dans la boue. Par contre, son rendement en terme de réduction des matières volatiles demande à être amélioré. La difficulté de ce type d'installation de digestion aérobie vient, notamment, de la gestion de l'exploitation du réacteur. En effet, l'introduction de la quantité d'air doit être bien dosée. Il faut suffisamment d'air pour mélanger le milieu afin d'assurer un bon transfert de l'oxygène nécessaire à la réaction exothermique d'oxydation des matières volatiles par les bactéries. Mais il ne faut pas non plus injecter trop d'air dans le réacteur sous peine d'augmenter les pertes thermiques et de diminuer les rendements d'oxydation par la baisse de la température du milieu réactionnel. De plus, les températures des boues en entrée du réacteur de digestion ont une grande influence sur le procédé. En hiver, l'exothermicité de la réaction n'est en général pas suffisante pour réchauffer les boues qui entrent et pour maintenir les conditions thermophiles optimales du réacteur. Pour maintenir la température dans le réacteur en hiver, et assurer un bon rendement de dégradation des matières volatiles, il est nécessaire d' apporter un complément thermique au niveau des parois du réacteur, soit par des résistances électriques, soit par une double enveloppe où peut circuler de l'huile chaude ou de la vapeur d'eau. Cette régulation de température entraîne un surcoût très significatif en exploitation. De plus, l'utilisation de cet apport thermique implique une consommation d'énergie fossile qui ne va pas dans le sens du développement durable. L'invention a pour but, surtout, d'accroître le rendement d'élimination des matières insolubles de la digestion aérobie par l'action combinée de l'oxydation naturelle des matières organiques (MO) par des bactéries et par l'action des ultrasons. Selon l'invention, un dispositif de destruction oxydative de matières insolubles de boue d'épuration par couplage thermique et ultrasons, comportant un réacteur principal dans lequel est amenée la boue, ce réacteur principal étant muni de moyens d'injection d'air dans la boue, est caractérisé en ce qu'il comporte : un moyen pour appliquer des ultrasons dans la boue du réacteur principal, - un moyen de mesure de la température du milieu réactionnel du réacteur principal, - et un moyen de régulation comparant la valeur de température mesurée dans le réacteur principal et une valeur de consigne fixée, ce moyen de régulation étant propre à mettre en marche le moyen pour appliquer les ultrasons lorsque la température mesurée est inférieure à la température de consigne, et à arrêter le moyen pour appliquer les ultrasons lorsque la température mesurée est égale ou supérieure à la température de consigne. Le moyen pour appliquer des ultrasons est constitué de préférence par un réacteur de sonication. Le réacteur de sonication peut être disposé sur une boucle de réacteur principal qui réinjecte la boue traitée dans le réacteur principal. Le débit de boue dans la boucle est de préférence inférieur ou égal au débit de boue entrant dans le réacteur principal. Selon une autre possibilité, le réacteur de sonication est disposé en amont du réacteur principal sur la canalisation d'amenée des boues à ce réacteur principal. Le réacteur de sonication comprend une conduite métallique, de préférence en acier inoxydable, traversée par un courant de boue auquel sont appliqués les ultrasons émis par au moins un émetteur d'ultrasons. Généralement plusieurs émetteurs d'ultrasons sont répartis le long de la conduite, en étant de préférence diamétralement opposés par rapport à la conduite. Selon une première possibilité chaque émetteur d'ultrasons est constitué par une sonotrode comportant un générateur d'ultrasons muni d'un nez dont l'extrémité est appliqué contre la surface extérieure de la conduite. Selon une autre possibilité, chaque émetteur d'ultrasons est constitué par une sonde comportant un générateur d'ultrasons muni d'un nez qui traverse de manière étanche la paroi de la conduite et baigne dans le courant de boue. La puissance du réacteur de sonication rapportée au débit de boue traversant le réacteur de sonication est avantageusement de l'ordre de 15kW/m3/h. La température de consigne du réacteur principal est choisie supérieure à 50 C, de préférence supérieure à 60 C Le dispositif de destruction de matières insolubles de boue d'épuration par couplage thermique et ultrasons est avantageusement prévu pour une station d'épuration d'eau usée pour 50 000 eqH au plus. Le dispositif de type ultrasonore fait éclater les membranes des cellules des bactéries et permet d'utiliser l'énergie produite par l'implosion des bulles de cavitation pour ajuster la température du réacteur à la valeur optimale supérieure à 50 C et mieux supérieure à 60 C. Selon l'invention, la puissance ultrasonore appliquée à la boue est utilisée : - pour réguler la température du réacteur (utilisation de la puissance thermique générée par l'implosion des microcavités) ; - pour augmenter le rendement de la digestion (utilisation de la puissance mécanique générée par l'implosion des microcavités). L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig.1 est un schéma de principe d'un dispositif de destruction de 25 matières insolubles de boue d'épuration par couplage thermique et ultrasons selon l'invention. Fig.2 est un schéma d'une variante de réalisation du dispositif de Fig.1. Fig.3 est une coupe schématique longitudinale d'un réacteur de 30 sonication. Fig.4 est une coupe schématique longitudinale d'une variante du réacteur de sonication. Fig.5 est une coupe transversale suivant la ligne V-V de Fig.3. Fig.6 est un schéma simplifié d'une installation de traitement de 35 boues comportant un dispositif selon l'invention, et Fig.7 est un graphe donnant les courbes d'hygiénisation en fonction du temps et des températures. En se reportant à Fig.l des dessins, on peut voir un dispositif de destruction oxydative de matières insolubles de boue d'épuration par couplage thermique et ultrasons, qui comporte un réacteur principal 1 dans lequel la boue est introduite par un conduit d'amenée 2. La boue digérée est extraite suivant un conduit de sortie 3. Le réacteur principal 1 est muni de moyens 4 d'injection d'air dans la boue. Ces moyens 4 peuvent comprendre des tubes perforés disposés dans le fond du réacteur principal pour la distribution d'air sous forme de bulles. Des moyens D sont prévus pour agiter la boue dans le réacteur. Le dispositif comporte un moyen M pour appliquer des ultrasons dans la boue du réacteur principal 1. Ce moyen M est avantageusement constitué par un réacteur de sonication se présentant sous forme d'une conduite B sur laquelle sont disposées des sonotrodes S (Fig.3), ou à chicanes créées par des sondes S1 (Fig.4) qui traversent la paroi de la conduite B. Selon la réalisation de Fig.3 le réacteur de sonication M comporte des sonotrodes (émetteurs d'ultrasons) S appliquées contre la paroi extérieure de la conduite B métallique, de préférence en acier inoxydable. Les sonotrodes S sont réparties sur la longueur de la conduite et diamétralement opposés. Chaque sonotrode S comporte un générateur E d'ultrasons et un nez tronconique N. L'extrémité du nez N est munie d'un transducteur T appliqué contre la paroi extérieure de la conduite B pour transmission des ultrasons à la boue qui circule à l'intérieur de B. Une plaque métallique P peut être disposée dans un plan diamétral de la conduite, à égale distance des sonotrodes, pour améliorer l'effet des ultrasons et assurer aussi une protection de la paroi de la conduite. Selon la réalisation de Fig.4 le réacteur de sonication M comporte, comme émetteurs d'ultrasons, des sondes S1. Chaque sonde comporte un générateur El et un nez tronconique NI qui traverse de manière étanche la paroi de la conduite pour baigner dans la boue. Les nez NI, en saillie dans la conduite selon Fig.4, créent des chicanes pour l'écoulement de la boue. Les sondes S1 sont réparties sur la longueur de la conduite et diamétralement opposées. Une plaque métallique diamétrale semblable à P (Fig.3) peut aussi être prévue. L'énergie électrique fournie par le réacteur de sonication (dispositif à ultrasons) au volume de boue qui le traverse est en général de l'ordre de 15kWh / m3. Cette énergie permet d'augmenter la température de la boue en sortie du réacteur de sonication de 18 C en moyenne pour cette application. Cette augmentation est fonction du rendement du dispositif mis en place, de par sa conception. La puissance du réacteur de sonication M, c'est-à-dire de l'ensemble des sonotrodes S ou des sondes SI d'un réacteur de sonication, dépend du débit de boues entrant dans le réacteur principal 1. Cette puissance est en général d'environ 15 kW pour un débit de 1 m3/h de boue traversant le réacteur de sonication, ce débit de boue étant généralement inférieur ou égal au débit de boue entrant dans le réacteur principal 1. Un moyen 5 de mesure de la température du milieu réactionnel du réacteur principal 1 est prévu et comprend au moins une sonde de température 6 plongée dans la boue ou, le cas échéant, plusieurs sondes de température réparties dans le réacteur principal 1 pour permettre d'établir une température moyenne. Le moyen 5 envoie une information correspondant à la température détectée sur un régulateur 7. Ce régulateur compare la valeur de la température mesurée dans le réacteur principal 1 avec une valeur de consigne fixée. Le régulateur 7 fournit en sortie un signal de commande au réacteur de sonication : lorsque la température du réacteur principal 1 est inférieure à la température de consigne, le régulateur 7 commande la mise en marche du réacteur de sonication M ; lorsque la température du réacteur principal 1 égale ou dépasse la valeur de consigne, le régulateur 7 commande l'arrêt du réacteur de sonication M. La régulation a été présentée de façon simplifiée mais elle peut comporter des moyens classiques prenant en compte les vitesses de variation de la température et autres paramètres pour optimiser la commande. Selon l'exemple de réalisation de Fig.1, le réacteur de sonication M est disposé sur une branche 8 de dérivation du réacteur principal 1. La branche 8 est équipée d'une pompe de circulation 9 prélevant en amont une quantité de boue et la réinjectant dans le réacteur principal 1. Le débit de boue dans la branche 8 est au plus égal au débit Q de boue entrant en 2. Le débit dans la branche 8 est généralement supérieur à 0.5Q. La branche 8 est formée par une conduite métallique, avantageusement en acier inoxydable. Selon une variante illustrée sur Fig.2, le réacteur de sonication M est disposé en amont du réacteur principal 1 sur la conduite d'amenée 2, qui est 35 métallique, avantageusement en acier inoxydable. Le dispositif de l'invention convient plus particulièrement pour des stations d'épuration d'eau usée destinées à des collectivités au plus égales à environ 50000 eqH (équivalents habitants). Le fonctionnement du dispositif est expliqué avec référence à Fig.6 illustrant schématiquement une station d'épuration d'eau usée pour 50000 eqH. Le traitement de l'eau usée est réalisé selon un schéma classique d'aération prolongée (non représentée) suivie d'une clarification (non représentée) et d'un épaississement dans un épaississeur 11. Les boues sortant de l'épaississeur 11 sont ensuite envoyées dans le réacteur principal 1 selon l'invention. La température de consigne choisie pour le réacteur principal 1 est supérieure à 50 C et de préférence supérieure à 60 C. Lorsque la température de la boue dans le réacteur principal 1 mesurée par le moyen 5 est inférieure à la température de consigne, le régulateur 7 met en action le réacteur de sonication M pour faire monter la température dans le réacteur principal 1. Les ultrasons font éclater les membranes des cellules des bactéries. L'énergie produite par l'implosion des bulles de cavitation est utilisée pour ajuster la température du réacteur à la valeur de consigne. On rappelle que les ultrasons sont des ondes élastiques dont la fréquence est comprise entre environ 15 kHz et quelques centaines de mégahertz. Les ultrasons possèdent généralement toutes les propriétés des ondes élastiques (ondes de pression ou ondes vibratoires selon le milieu de propagation). L'action des ultrasons dans les milieux liquides repose sur le phénomène de cavitation : création, croissance et implosion de bulles formées lorsqu'un liquide est soumis à une onde de pression périodique. Les bulles de cavitation constituent des microréacteurs chimiques dans lesquels sont atteintes des températures et des pressions très élevées. Si, durant leur évolution, les bulles de cavitation rencontrent une surface solide, elles implosent sur cette surface en formant des microjets de liquide très violents (à vitesse de 100 m/s) qui décapent la surface solide. L'avantage de l'utilisation du réacteur de sonication M est en fait double. En effet, la cavitation est produite par l'émission des ultrasons dans la boue liquide ce qui crée des zones alternativement comprimées et dilatées. Lorsque les ondes ultrasons sont suffisamment intenses, elles provoquent dans les zones dilatées une pression locale inférieure à la pression ambiante créant des microcavités dont le diamètre peut atteindre 100 micromètres. Quand la pression redevient positive, ces cavités implosent en moins d'une microseconde, induisant localement une température très élevée, pouvant atteindre plusieurs milliers de degrés C, et une onde de pression très forte, pouvant atteindre plusieurs milliers de fois la pression atmosphérique. L'implosion de ces microcavités provoque une augmentation significative de la température moyenne de la boue et une destruction partielle des matières volatiles de la boue. L'invention, par la puissance ultrasonore appliquée à la boue, permet : - de réguler la température du réacteur principal, par utilisation de la puissance thermique générée par l'implosion des microcavités ; - d'augmenter le rendement de la digestion, par utilisation de la puissance mécanique générée par l'implosion des microcavités. Une étude comparative a été effectuée sur une station d'épuration d'eau usée de 50000 eqH. La comparaison a porté sur une boue contenant 8g/l de matières solides en entrée de l'épaississeur et 45g/l en sortie de l'épaississeur. La boue a été traitée par un réacteur principal classique ne comportant pas de régulation avec ultrasons (Cas 1) et un réacteur principal selon l'invention avec régulation par ultrasons (Cas 2). La quantité de boues traitée est de 300kg de matières sèches par jour, soit un débit de : - 37 m3 / jour en sortie du clarificateur et en entrée de l'épaississeur ; - 5,45 m3 / jour en sortie de l'épaississeur. Le temps de séjour des boues dans le réacteur principal est de 14 jours ce qui correspond à un volume utile de réacteur de 76 m3. La température des boues en entrée du réacteur principal 1 est de 15 C en hiver. Cas 1 : cas d'un réacteur classique non équipé d'une régulation avec 30 ultrasons : - la température du réacteur en hiver est de 44 C: la condition thermophile est atteinte, mais le fonctionnement n'est pas optimal, - la réduction de matières volatiles est de 10 points, la concentration en matières volatiles passant de 75% à 65%. 35 Cas 2 : cas du réacteur principal 1 selon l'invention, régulé avec des ultrasons. La puissance appliquée sous forme d'ultrasons, au débit de boue traversant le réacteur de sonication, est d'environ 15 kW/ m3/h On obtient : - une température du réacteur en hiver de 62 C : la condition 5 thermophile est optimisée pour que l'oxydation maximale des matières volatiles (MV) soit atteinte ; - une réduction de matières volatiles de 18 points (la teneur passe de 75% à 57%). Le graphe de Fig.7, avec la température en ordonnée et le temps 10 exprimé en heures en abscisse (échelle logarithmique) donne les courbes de survie pour différents virus et bactéries. La zone de sécurité située au-dessus de ces courbes correspond à la disparition de ces éléments pathogènes. D'après le graphe de Fig.7 il apparaît que la température plus élevée du réacteur, de l'ordre de 60 C, obtenue selon l'invention permet de mieux se 15 situer dans la zone de sécurité, d'où une meilleure hygiénisation des boues. En appliquant 15kW/m3/h on obtient : - une température du réacteur en hiver de 62 C : la condition thermophile est optimisée ; - une réduction de matières volatiles de 18 points, la concentration 20 passant de 75% à 57%. L'ajout de la régulation de la température par les ultrasons permet : - d'optimiser les conditions thermophiles dans le réacteur principal pendant la période hivernale (période la plus défavorable) mais aussi en toute saison ; 25 d'assurer I'hygiénisation des boues (conditions de temps et de température assurées) ; - d'augmenter les rendements d'élimination de la matière sèche de 8 points. 30 REVENDICATIONS 1. Dispositif de destruction oxydative de la matière insoluble de boue d'épuration par couplage thermique et ultrasons, comportant un réacteur principal (1) dans lequel est amenée la boue, ce réacteur principal étant muni de moyens d'injection d'air dans la boue, caractérisé en ce qu'il comporte : - un moyen (M) pour appliquer des ultrasons dans la boue du réacteur, - un moyen de mesure (5) de la température du milieu réactionnel du réacteur, - et un moyen de régulation (7) comparant la valeur de température mesurée dans le réacteur et une valeur de consigne fixée, ce moyen de régulation étant propre à mettre en marche le moyen (M) pour appliquer les ultrasons lorsque la température mesurée est inférieure à la température de consigne, et à arrêter le moyen (M) pour appliquer les ultrasons lorsque la température mesurée est égale ou supérieure à la température de consigne. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour appliquer des ultrasons est constitué par un réacteur de sonication (M). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réacteur de 20 sonication (M) est disposé sur une boucle (8) du réacteur principal (1) qui réinjecte la boue traitée dans le réacteur principal. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le débit de boue dans la boucle (8) est inférieur ou égal au débit de boue entrant dans le 25 réacteur principal (1). 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réacteur de sonication (M) est disposé en amont du réacteur principal (1) sur la canalisation (2) d'amenée des boues à ce réacteur principal. 6. Dispositif selon l'une des revendication 2 à 5, caractérisé en ce que le réacteur de sonication (M) comprend une conduite métallique (B) traversée par un courant de boue auquel sont appliqués les ultrasons émis par au moins un émetteur d'ultrasons (S,S1). 30 35 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que plusieurs émetteurs d'ultrasons (S,S1) sont répartis le long de la conduite, en étant diamétralement opposés par rapport à la conduite. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque émetteur d'ultrasons est constitué par une sonotrode (S) comportant un générateur (E) muni d'un nez (N) dont l'extrémité est appliqué contre la surface extérieure de la conduite (B). 9. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque émetteur d'ultrasons est constitué par une sonde (SI) comportant un générateur (El) muni d'un nez (Ni) qui traverse de manière étanche la paroi de la conduite (B) et baigne dans le courant de boue. 10. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 9 , caractérisé en ce que la puissance du réacteur de sonication rapportée au débit de boue traversant le réacteur de sonication est de l'ordre de 15kW/m3/h. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce 20 que la température de consigne du réacteur principal est supérieure à 50 C, de préférence supérieure à 60 C 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes pour station d'épuration d'eau usée jusqu'à environ 50 000 eqH. 25