Brevet FR2887539A1 — publié le 20061229

BIO REACTEUR, POUR LE TRAITEMENT DES EFFLUENTS PAR CHENAL D'AERATION. L'invention est relative à un bio réacteur pour le traitement biologique des effluents urbains ou industriels par boues activées, lequel bio réacteur comporte: - un chenal d'aération à contour fermé, en particulier annulaire, dans lequel la boue activée est mise en circulation, par au moins un agitateur, à une vitesse suffisante pour maintenir une concentration homogène sur toute la hauteur du chenal, et des systèmes d'aération disposés en fond de chenal pour assurer l'oxygénation de la biomasse présente. Une telle configuration de bassin d'aération en chenal avec circulation de boues présente des avantages sensibles par rapport à un bassin d'aération statique où la boue n'est pas mise en circulation. En particulier, les fonctions d'aération et de brassage sont dissociées ce qui permet d'optimiser chacune de ces fonctions et donc d'économiser de l'énergie. Cependant la boue activée, après traitement dans le bio réacteur, doit être envoyée dans un clarificateur qui constitue un équipement nécessitant de la place et entraînant un coût supplémentaire. La qualité de l'eau sortant du clarificateur est relativement moyenne. L'invention a pour but, surtout, de fournir un bio réacteur en chenal qui permet de rendre plus compacte une installation de traitement d'eau, tout en améliorant la qualité du traitement. Un tel bio réacteur est plus particulièrement destiné à des petites ou moyennes stations d'épuration pour des collectivités généralement inférieures à 50 000 équivalents/habitants. Selon l'invention, un bio réacteur pour le traitement des eaux résiduaires, du genre défini précédemment, est caractérisé en ce qu'il comporte: en amont de l'agitateur, un ensemble à membranes de filtration immergées dans la boue du chenal, la partie inférieure des membranes de filtration étant située à distance du fond du chenal, des moyens de circulation supplémentaires prévus dans la partie inférieure du chenal pour favoriser l'écoulement de boue au-dessous de l'ensemble de membranes, et un écran placé en amont des membranes de filtration à une distance suffisamment faible pour protéger ces membranes contre le courant de boue. De préférence, les membranes de filtration sont des membranes d'ultrafiltration ou de microfiltration. Les moyens de circulation supplémentaires peuvent comprendre un agitateur rapide situé dans la partie inférieure du chenal, de préférence immédiatement en amont des membranes. Cet agitateur rapide est propre à imprimer à la boue une vitesse horizontale de l'ordre de 0,6 m/s (0,6 mètre/seconde) ou plus. L'écran protégeant l'ensemble des membranes peut être constitué par une plaque située dans un plan vertical radial, ou être profilé pour limiter l'effet de résistance à l'écoulement tout en protégeant les membranes. Les membranes de filtration peuvent être regroupées en une cassette maintenue suspendue dans le chenal. Plusieurs cassettes successives suivant la direction de l'écoulement de la boue peuvent être prévues dans le chenal. L'écran de la première cassette amont peut servir aux cassettes aval suivantes. Plusieurs ensembles comprenant un moyen de circulation 20 supplémentaire, un ensemble de membranes et un écran peuvent être répartis sur la longueur du chenal. L'invention permet la coexistence des membranes et du chenal en rétablissant la vitesse constatée sans les membranes et tout en protégeant ces dernières de toute conséquence négative. 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'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins: - Fig. 1 est une vue en plan d'un bio réacteur selon l'invention. - Fig. 2 est un schéma à grande échelle de membranes de filtration. - Fig. 3 est une vue schématique développée suivant la ligne III-III de Fig.1. - Fig.4 est une coupe schématique suivant la ligne IV-IV de Fig. 3 et Fig. 5 est un schéma partiel en perspective d'une cassette de membranes. En se reportant aux dessins, notamment aux Fig. 1 et 3, on peut voir un bio réacteur 1 pour traiter des effluents urbains ou industriels par boues activées B. Ce bio réacteur comporte un chenal d'aération 2 à contour fermé, en général circulaire annulaire comme illustré sur Fig. 1. Toutefois, d'autres formes sont possibles, telles que des chenaux oblongs. Le chenal 2 est limité par deux parois verticales respectivement extérieure 2a et intérieure 2b concentriques circulaires et par un fond 2c (Fig. 3) constitué par un radier. La hauteur H des parois 2a, 2b peut être de l'ordre de 5 mètres ou plus. La distance radiale W entre les parois 2b et 2a, ou largeur du chenal, peut être de l'ordre de 3m50 ou plus. Un bassin réservé à d'autres fonctions, comme par exemple la dénitrification, peut être prévu à l'intérieur de la paroi circulaire 2b, mais n'est pas représenté sur le dessin. Des systèmes d'aération a sont disposés dans le fond du chenal pour assurer l'oxygénation de la biomasse présente. Chaque système d'aération a délivre un gaz d'oxygénation, par exemple de l'air, sous forme de fines bulles qui montent dans la biomasse. Un ou plusieurs agitateurs lents 3 à grandes pales 4 assure la circulation de la boue activée avec une vitesse horizontale V suffisante, schématisée par une flèche, pour maintenir une concentration homogène en matières solides suspendues sur toute la hauteur et la largeur du chenal. L'axe de rotation de l'agitateur 3 est horizontal, sensiblement à mi- hauteur des parois 2a,2b. Par agitateur lent on désigne un agitateur dont la vitesse de rotation des pales est inférieure à 100 tr/mn (100 tours/minute). Par grandes pales on désigne un agitateur dont le diamètre de l'hélice est supérieur à 1 m. Outre l'homogénéité de la boue activée et l'absence de dépôt, la circulation assurée dans le chenal 2 permet d'améliorer sensiblement le rendement de transfert d'oxygène à la biomasse. Selon l'invention, le bio réacteur comporte, en amont de l'agitateur 3 un ensemble E à membranes d'ultrafiltration ou de microfiltration 5 immergées dans la boue contenue dans le chenal 2, la partie inférieure des membranes (Fig. 3) étant située à distance k du fond du chenal. Cette distance k peut être de l'ordre de 1,5 à 3,5 mètres. La hauteur h des membranes peut être de l'ordre de 2 mètres. Chaque membrane 5 d'ultrafiltration ou de microfiltration (Fig.2) se présente sous la forme d'une fibre creuse, disposée verticalement, fermée à son extrémité inférieure et ouverte en partie haute où elle est reliée à un dispositif 6, schématiquement représenté, prévu pour pomper le filtrat. Le diamètre d d'une fibre 5 est d'environ 1,5 mm. La boue B se trouve à l'extérieur de la membrane et l'eau claire obtenue par filtration se trouve à l'intérieur de l'enveloppe cylindrique de la fibre d'où elle est extraite par le dispositif 6. Le seuil de coupure de telles membranes 5 peut varier de 1 pm à moins de 0,01 pm, ce qui permet d'obtenir, pour le filtrat, une eau de qualité supérieure à celle obtenue avec un clarificateur classique. Les membranes 5 sont groupées par plusieurs dizaines de milliers de fibres en des ensembles E formant des cassettes C (Fig. 5). Une cassette C comporte un bâti 7 dans lequel sont installées les membranes 5. Le bâti 7 est suspendu à des traverses 8 supportées à chaque extrémité par des pattes 9 fixées sur des poutres radiales 10 reposant sur le bord supérieur des parois 2a,2b. La liaison des traverses 8 avec les pattes 9 peut être assurée par un dispositif du type à clavette traversant des orifices prévus dans les traverses 8 et les pattes 9 et permettant un montage et un démontage très rapide. Des moyens de circulation supplémentaires 11 (Fig. 3) sont prévus dans la partie inférieure du chenal 2 pour favoriser l'écoulement de boue audessous de l'ensemble E de membranes 5. Les moyens de circulation 11 sont avantageusement constitués par au moins un agitateur rapide 12 comportant une hélice 13 tournant autour d'un axe horizontal avec des pales essentiellement verticales. Par agitateur rapide on désigne un agitateur dont l'hélice tourne à une vitesse au moins égale à 150 tr/mn. Le diamètre de l'hélice 13 est inférieur à lm. Plusieurs agitateurs rapides 12 peuvent être répartis suivant la largeur radiale du chenal 2. Ces agitateurs rapides 12 tournent à une vitesse suffisante pour communiquer à la boue liquide une vitesse horizontale de préférence supérieure à 0,6 m/s, pouvant atteindre 1 m/s ou plus, au-dessous de l'ensemble E. Le ou les agitateurs rapides 12 sont situés de préférence immédiatement en amont de l'ensemble E de membranes, généralement à moins d'un mètre de la partie arrière, suivant le sens d'écoulement dans le chenal. La vitesse V de la boue dans la partie du chenal qui ne comporte pas de membranes est d'environ 0,3 m/sec. Comme visible sur Fig. 1, l'ensemble de membranes E a une dimension radiale inférieure à la largeur radiale du chenal de telle sorte que de part et d'autre de l'ensemble E subsiste un passage 14, 15 dont la dimension radiale peut être de l'ordre du quart de la largeur radiale du chenal. Un écran S (Fig.3) est placé en amont des membranes de filtration 5 à une distance j suffisamment faible pour protéger mécaniquement les membranes 5 du courant de boue. La distance j peut être de l'ordre de quelques dizaines de centimètres.L'écran S est suspendu de manière similaire à la cassette C de membranes. De plus, la partie inférieure de l'écran S est maintenue, contre la force créée par le courant de boue, par des jambes d'appui 16 ancrées à leurs extrémités inférieures sur le fond 2c du chenal ou sur les parois. Les dimensions de l'écran S sont adaptées à celles de l'ensemble membranaire E. La hauteur de l'écran S est supérieure à celle des membranes; l'écran S est placé de telle sorte que son bord inférieur soit situé plus bas que le bord inférieur des membranes et son bord supérieur est situé l0 au-dessus de l'extrémité supérieure des membranes. La largeur de l'écran est supérieure à celle de l'ensemble et les bords verticaux intérieur et extérieur de l'écran encadrent l'ensemble E. L'écran S peut être constitué par une plaque pleine verticale située dans un plan radial passant par le centre de l'anneau du chenal 2. En variante, l'écran peut présenter une forme particulière à profil hydrodynamique permettant de limiter l'effet de résistance à l'écoulement de la boue. L'écran S est en général complètement immergé, mais peut n'être que partiellement immergé, sa partie supérieure sortant de la boue. Dans la région de l'ensemble membranaire E, ainsi 20 qu'immédiatement en amont, le fond 2c du chenal présente une zone 17 dépourvue de système d'aération a. Une aération des membranes 5 est assurée, par exemple, par des tubes perforés 18 (Fig. 4 et 5) prévus en partie inférieure de chaque rangée de membranes 5 et reliés par des canalisations (non représentées) à une arrivée de gaz, notamment de l'air, pour assurer un balayage des membranes par des bulles de gaz qui montent le long de ces membranes. La boue qui a pu se déposer sur les membranes se trouve ainsi balayée, entraînée vers le haut pour ensuite retomber vers le fond dans un mouvement de spirale (spiral-flow) illustré par les flèches 19 sur Fig.4. Grâce à la présence de l'écran S, la vitesse horizontale de la boue au niveau de l'ensemble de membranes E est faible, inférieure à 0,1 m/s, ce qui assure une excellente protection mécanique des membranes. Le fonctionnement du bio réacteur résulte des explications qui précèdent. L'eau résiduaire à traiter est déversée dans le chenal 2, par exemple par une conduite I, dans la zone immédiatement en aval de l'agitateur 3. Le mélange d'eau et de boue activée est maintenu en circulation à la vitesse horizontale V suffisante pour maintenir une concentration homogène des particules sur toute la hauteur et toute la largeur du chenal. La présence de l'ensemble de membranes E dans le chenal 2 constitue un obstacle important à la circulation de la masse liquide. En l'absence des dispositions de l'invention, cet obstacle conduirait à une réduction de la vitesse de la boue, ce qui provoquerait une réduction du transfert d'oxygène et une perte d'homogénéité des concentrations. De plus l'énergie dissipée sur la surface des membranes risquerait de perturber leurs fonctionnements et leurs résistances mécaniques. En outre la déconcentration verticale effectuée par l'aération propre aux membranes (tubes 18 d'aération) va amener en partie inférieure du chenal une boue concentrée. Une faible vitesse dans le chenal 2 conduirait à augmenter la concentration dans la zone des membranes et donc à diminuer leur capacité de filtration. Selon l'invention, l'adjonction de l'écran de protection S et d'un agitateur rapide 12 situé dans la partie inférieure du chenal, immédiatement en amont des membranes, permet d'éviter tous ces inconvénients. La fonction de l'agitateur rapide 12 est double: - il permet de créer une vitesse suffisante au-dessous de l'ensemble E de membranes pour compenser la réduction de vitesse créée par les membranes; - il permet d'alimenter les mouvements d'écoulement en spirale (flèches 19 de Fig. 4 = spiralflow), dans les membranes, en boue à faible concentration afin d'assurer une concentration quasiment identique dans les membranes 5 à celle du reste du chenal 2. On pourrait prévoir plusieurs ensembles E de membranes, en particulier deux ensembles E disposés l'un à la suite de l'autre. L'écran S prévu pour l'ensemble E situé le plus en amont pourrait servir à l'ensemble E situé en aval. En variante, le deuxième ensemble E situé en aval pourrait être équipé d'un écran spécifique. On pourrait également prévoir, sur la longueur du chenal, plusieurs ensembles comportant chacun un ou plusieurs ensembles de membranes E, un ou plusieurs écrans S et un ou plusieurs agitateurs rapides 12. Ces ensembles seraient disposés dans des zones ne comportant pas de systèmes d'aération a. Cette disposition pourrait en particulier, être réalisée dans un chenal oblong ou circulaire, dans lequel deux agitateurs lents 3 seraient diamétralement opposés. Le réglage du bio réacteur peut être amélioré par l'utilisation d'un variateur de fréquence permettant d'ajuster la vitesse de rotation de l'agitateur rapide 12 en l'adaptant aux particularités des cas rencontrés. Le niveau supérieur de la boue dans le chenal 2 peut varier selon le débit d'eau à traiter, mais la limite inférieure de ce niveau doit se situer au-dessus de l'extrémité supérieure des membranes 5 qui doivent rester complètement immergées. L'installation selon l'invention présente un avantage de compacité et de simplicité puisque le clarificateur habituellement prévu en aval d'un bassin d'aération en chenal disparaît. Du fait que les membranes utilisées sont immergées dans le bassin contenant la boue activée, aucune pompe de transfert n'est nécessaire pour amener cette boue activée dans les membranes. L'immersion des membranes directement dans le chenal de traitement biologique, malgré la vitesse de circulation, permet de faire fonctionner ces membranes à une même concentration ce qui est favorable à la filtration membranaire et permet de minimiser la surface nécessaire de membranes. L'aération à fort débit réalisée dans la partie inférieure des membranes, notamment par des tubes perforés tels que 18, permet de provoquer un mouvement de spiral-flow dont l'objectif est d'homogénéiser la concentration en boue. En effet, la filtrabilité d'une boue activée dépend directement de la concentration de cette boue: plus la concentration est élevée et plus la filtrabilité diminue. L'invention s'applique non seulement à une installation nouvelle, auquel cas il n'est pas nécessaire de réaliser un clarificateur en aval du bio réacteur, mais aussi à une installation existante. Dans ce cas, après adaptation du bio réacteur, le clarificateur n'est plus utilisé et son emplacement peut être récupéré, par exemple pour un autre équipement. 8 REVENDICATIONS 1. Bio réacteur pour le traitement biologique des effluents urbains ou industriels par boues activées, comportant: - un chenal d'aération (2) à contour fermé, en particulier annulaire, dans lequel la boue activée est mise en circulation, par au moins un agitateur (3) à une vitesse suffisante pour maintenir une concentration homogène sur toute la hauteur du chenal, - et des systèmes d'aération (a) disposés en fond de chenal pour assurer l'oxygénation de la biomasse présente, caractérisé en ce qu'il comporte: - en amont de l'agitateur (3), un ensemble (E) à membranes de filtration (5) immergées dans la boue (B) du chenal, la partie inférieure des membranes de filtration étant située à distance (k) du fond (2c) du chenal, - des moyens de circulation supplémentaires (11) prévus dans la partie inférieure du chenal pour favoriser l'écoulement de boue au-dessous de l'ensemble (E) de membranes, - et un écran (S) placé en amont des membranes de filtration (5) à une distance (j) suffisamment faible pour protéger ces membranes contre le courant de boue. 20 2. Bio réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes de filtration (5) sont des membranes d'ultrafiltration ou de microfiltration. 3. Bio réacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de circulation supplémentaires (Il) comprennent un agitateur rapide (12) situé dans la partie inférieure du chenal. 4. Bio réacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'agitateur rapide (12) est situé immédiatement en amont des membranes (5) . 5. Bio réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agitateur rapide (12) est propre à imprimer à la boue une vitesse horizontale supérieure à 0,6 m/sec. 6. Bio réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran (S) protégeant l'ensemble (E) de membranes est constitué par une plaque située dans un plan radial vertical. 7. Bio réacteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'écran protégeant l'ensemble de membranes est profilé pour limiter l'effet de résistance à l'écoulement tout en protégeant les membranes de filtration. 8. Bio réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les membranes de filtration (5) sont regroupées en une cassette (C) maintenue suspendue dans le chenal. 9. Bio réacteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que plusieurs 10 cassettes successives suivant la direction de l'écoulement de la boue sont prévues dans le chenal. 10. Bio réacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'écran (S) de la première cassette amont sert aux cassettes aval suivantes. 11. Bio réacteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que plusieurs ensembles comprenant un moyen de circulation supplémentaire (11) , un ensemble de membranes (E) et un écran (S) sont répartis sur la longueur du chenal.