Brevet FR2932469A1 — publié le 20091218

Dispositif et procédé de diffusion des boues pour digesteur à lit de boue, et digesteur à lit de boue correspondant. La présente invention concerne le traitement des eaux usées. L'invention se place dans le domaine des stations d'épuration, particulièrement des digesteurs à lit de boue, très particulièrement des digesteurs à lit de boue de grande taille. Plus particulièrement, l'invention porte sur un dispositif de diffusion des boues pour les digesteurs à lit de boue qui sont utilisés dans les procédés de digestion anaérobie pour le traitement des boues des eaux usées domestiques. La digestion anaérobie est un procédé microbiologique dans laquelle les matières organiques sont décomposées par l'action de microorganismes en l'absence d'oxygène. Les microorganismes anaérobies réduisent la quantité de matières organiques présentes dans les boues activées biologiquement tout en dégageant des gaz principalement du méthane. La digestion anaérobie des boues des eaux usées municipales et des industries agroalimentaires exige généralement l'utilisation de grands réservoirs de rétention suffisamment dimensionnés pour accueillir les boues pendant la totalité du temps de rétention nécessaire qui peut dépasser 21 jours. Ces réservoirs nécessitent un système d'agitation ou de diffusion des boues permanent, afin que les boues soient en permanence en suspension pour une meilleure efficacité de la digestion anaérobie. Actuellement, les digesteurs à lit de boue fonctionnent en flux ascendant, les boues fraîches sont diffusées dans le fond du digesteur au travers d'une tôle perforée recouvrant toute la surface du fond du digesteur. Les boues sont incorporées sous cette tôle perforée par une canalisation alimentée par une pompe unique au centre, et elles sont diffusées au travers des perforations et traversent le lit de boue qui est maintenu au dessus de la tôle perforée. Cette diffusion est aléatoire car préférentielle près du centre, là où est placée la canalisation de refoulement de la pompe. II existe donc un besoin d'amélioration des systèmes de diffusion des boues dans les digesteurs afin de toujours améliorer leur mise en mouvement pour une meilleure efficacité dudit digesteur. La présente invention porte sur une innovation majeure des systèmes de diffusion et répartition des boues dans les digesteurs de diamètre important. Ainsi l'invention a pour objet un dispositif de diffusion des boues pour digesteur à lit de boue, particulièrement de grand diamètre, caractérisé en ce qu'il comprend a. un fond constitué d'une paroi pleine relevée sur son pourtour extérieur ; b. d'un couvercle constitué d'une paroi perforée de trous ; 1 c. une alimentation du diffuseur placée au centre du couvercle et débouchant à l'intérieur de l'espace ménagé par la réunion du fond et du couvercle du diffuseur, l'ensemble couvercle/fond constituant un ensemble clos et hermétique. Le dispositif de diffusion selon l'invention constitue une unité indépendante, qui permet de mettre les boues arrivant dans le digesteur en permanence en suspension dans ledit digesteur sous l'effet de la pression exercée par le flux de boue conduit dans le dispositif par l'alimentation dans le volume interne dudit dispositif selon l'invention. Par clos et hermétique on entend selon l'invention que l'ensemble couvercle/fond délimite un volume sans autre ouverture vers l'extérieur que les trous ménagés dans le couvercle. On comprend donc que le couvercle et le fond sont en contact par leurs circonférences et que le dit contact est hermétique. Mais selon l'invention, le couvercle dudit dispositif est percé de trous au travers desquels sous l'effet de la pression induite par l'alimentation, les boues vont diffuser. Un grand avantage de l'invention réside dans le fait que le dispositif selon l'invention peut prendre toutes les dimensions désirées. Ainsi, l'Homme du Métier saura adapter les dimensions extérieures du dispositif selon l'invention en fonction de la taille du digesteur. En effet si l'on conçoit aisément que l'on puisse utiliser un dispositif selon l'invention pour un digesteur, il est en fait beaucoup plus efficace de multiplier le nombre de dispositif selon l'invention dans un même digesteur. En effet les boues étant acheminées au centre de chacun des dispositifs positionnés dans le digesteur, la diffusion de celle-ci est alors beaucoup plus efficace et mieux répartie dans le volume global du digesteur que si l'on utilisait qu'un seul dispositif. Selon l'invention, le couvercle du dispositif est percé de trous répartis de manière à 25 laisser un passage de diffusion des boues. Pour être efficace ledit passage de diffusion des boues peut être compris entre 15% et 45% de la surface du couvercle, préférentiellement entre 25% et 35 %, très préférentiellement 30%. L'Homme du Métier saura adapter les dimensions des trous du couvercle en fonction du débit et/ou de la pression de l'alimentation en boue, ainsi que de la vitesse de 30 diffusion des bouts dans le digesteur qu'il désirera obtenir. Selon l'invention, les trous du couvercle dudit dispositif peuvent avoir un diamètre compris entre 1 cm et 5 cm, préférentiellement entre 2 cm et 4 cm, très préférentiellement 3 cm. Selon l'invention, pour une efficacité rnaximale, la distance interne entre le fond et le 35 couvercle dudit dispositif peut être au minimum comprise entre 5 et 15 cm, préférentiellement au minimum de 10 cm. 2 L'Homme du Métier saura adapter la forme du dispositif selon l'invention selon les besoins dictés par le digesteur dans lequel il voudra installer ledit dispositif selon l'invention. Ainsi ledit dispositif peut être de forme triangulaire, carré, rectangulaire, parallélépipédique à n côtés, ou encore circulaire. Préférentiellement selon l'invention, le dispositif peut être circulaire. Bien entendu, l'Homme du Métier saura utiliser les matériaux adéquats pour réaliser les parois du fond et du couvercle du dispositif selon l'invention. Il utilisera préférentiellement les matériaux généralement utilisés dans le domaine des stations d'épuration, ne serait-ce que pour que le dispositif selon l'invention résiste aux contraintes qui lui sont imposées par sa fonction (résistance aux pressions, à la corrosion, à l'oxydation, etc.). Ainsi selon l'invention, les parois du fond et du couvercle, simultanément et/ou indépendamment, sont en acier inoxydable. En ce qui concerne l'échantillonnage des matériaux utilisés, l'Homme du Métier saura là encore déterminer sans difficulté l'épaisseur des parois constituant le fond et le couvercle en fonction de leurs dimensions respectives et des contraintes que ceux-ci auront à subir. Selon l'invention, le fond du dispositif prend la forme d'une boite s'il est de forme parallélépipédique ou d'une soucoupe s'il est de forme circulaire, dont le pourtour extérieur est relevé par rapport à son propre fond. Ainsi selon l'invention le pourtour extérieur du fond peut s'élever à une hauteur comprise entre 10 cm et 30 cm, préférentiellement 20 cm, par rapport au fond intérieur du diffuseur. Selon l'invention l'acheminement des boues dans le diffuseur est assuré par une alimentation qui peut être constituée par une canalisation d'un diamètre compris entre 8 cm et 12 cm, préférentiellement 10 cm, ladite canalisation débouchant à l'intérieur de l'espace interne du diffuseur par un orifice préférentiellement placé au centre du couvercle dudit diffuseur. L'acheminement des boues jusqu'au diffuseur peut être assuré par tout moyen permettant l'écoulement du flot de boue dans le diffuseur. Cela peut être par simple gravité, mais préférentiellement selon l'invention l'acheminement des boues se fera de manière forcée comme par exemple au moyen d'une pompe poussant la boue dans la canalisation vers l'intérieur du diffuseur. On comprend qu'il y a selon l'invention une alimentation, muni d'une pompe par diffuseur. On comprend que le flot de boue arrivant en continu dans le diffuseur du fait de la pression induite par la pompe, lesdites boues seront rejetées à l'extérieur dudit diffuseur au travers des trous ménagés dans le couvercle, donc par le haut du volume interne global du digesteur, dans un mouvement ascendant. Selon l'invention, le dispositif de diffusion peut en outre être muni de tous les moyens connus pour réguler et/ou mesurer le débit des boues arrivant dans le diffuseur, la pression desdites boues, dans le système d'alimentation et/ou dans le diffuseur, comme par exemple une ou plusieurs vannes, mécanique ou pneumatique, un ou plusieurs indicateur de pression comme des manomètres, un ou plusieurs débitmètre. Selon l'invention, le circuit d'alimentation en boue peut être muni en outre de tout moyen de purge et/ou de tout moyen de dilatation courant dans ce genre d'installation. L'alimentation en boue du digesteur peut être réalisée par tout moyen déjà connu les boues fraîches sont diffusées dans le fond du digesteur au travers d'une tôle perforée recouvrant toute la surface du fond du digesteur. Les boues sont incorporées sous cette tôle perforée par une canalisation alimentée par une pompe unique au centre, et elles sont diffusées au travers des perforations et traversent le lit de boue qui est maintenu au dessus de la tôle perforée. Cette diffusion est aléatoire car préférentielle près du centre, là où est placée la canalisation de refoulement de la pompe. Selon l'invention, un moyen préféré d'alimenter ledit digesteur en boue est réalisé eau travers d'un moyen d'injection des boues à incorporer dans le digesteur qui peut comprendre d.) un réceptacle formé par un réservoir, placé sous la surface du niveau liquide dudit digesteur ; e.) un tube immergé sous le niveau du liquide à l'intérieur dudit réceptacle ; f.) une canalisation d'arrivée des boues à incorporer, plongeant dans ledit tube immergé à l'intérieur dudit réceptacle ; g.) au moins une canalisation d'aspiration des boues à incorporer débouchant au fond dudit réceptacle, ladite canalisation d'aspiration étant reliée à l'alimentation d'au moins un diffuseur selon l'invention. Selon l'invention, ledit réservoir du réceptacle est de toute forme imaginable, préférentiellement de forme circulaire, présentant un diamètre pouvant être compris entre 1 m et 3 m, préférentiellement 2 m. Selon l'invention, ledit réceptacle peut être immergé sous la surface du niveau liquide du digesteur. Préférentiellement, ledit réceptacle est immergé à une distance comprise entre 10 cm et 30 cm, préférentiellement 20 cm, sous la surface du niveau liquide du digesteur. Selon l'invention, ledit tube immergé sous le niveau du liquide à l'intérieur dudit réceptacle peut avoir un diamètre compris entre 20 et 70 cm, préférentiellement entre 35 et 45 cm, très préférentiellement 50 cm et peut être immergé à l'intérieur dudit réceptacle à une profondeur comprise entre 1,50 et 2 m, préférentiellement à 1,70 m sous le niveau 4 du liquide à l'intérieur dudit réceptacle. Selon l'invention, ladite canalisation d'arrivée des boues à incorporer, plongeant dans ledit tube immergé à l'intérieur dudit réceptacle, peut être positionnée à une distance comprise entre 10 et 30 cm, préférentiellement 20 cm, au dessus du niveau liquide du digesteur. Accessoirement, ladite canalisation d'arrivée des boues à incorporer, peut être alimentée par une pompe d'alimentation, extérieure au digesteur. L'invention à en outre pour objet un digesteur à lit de boue comprenant au moins un dispositif de diffusion des boues tel que décrit précédemment et ledit dispositif de diffusion des boues étant éventuellement relié à un dispositif d'alimentation en boue tel que décrit précédemment. L'invention à encore pour objet un procédé de diffusion des boues à l'intérieur d'un digesteur à lit de boue tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que e. on injecte la boue à incorporer dans ledit digesteur au travers du moyen d'aspiration des boues à incorporer tel que décrit précédemment ; b. on aspire lesdites boues à l'intérieur dudit réceptacle dudit moyen d'aspiration, au travers d'au moins une canalisation d'aspiration des boues à incorporer débouchant au fond dudit réceptacle, ladite canalisation d'aspiration étant reliée à une pompe dite de diffusion ; c. on refoule la boue aspirée au moyen de ladite pompe dans ta canalisation d'alimentation dudit dispositif de diffusion des boues selon l'invention, ladite boue pénétrant dans ledit diffuseur sous l'effet de la pression induite par ladite pompe et sortant dudit diffuseur, toujours sous l'effet de la pression induite par ladite pompe, au travers des trous ménagés dans le couvercle dudit dispositif de diffusion vers le digesteur à lit de boue. Préférentiellement selon l'invention, le procédé de diffusion des boues se caractérise par le fait que le débit d'aspiration et de refoulement de ladite pompe de diffusion est supérieur au débit d'alimentation de la boue dans ledit moyen d'injection des boues à incorporer. En fait la présence de jeu de vanne sur les circuits d'alimentation et/ou d'arrivée des boues, permet d'ajuster le débit des boues indépendamment dans chacun des diffuseurs, étant entendu que préférentiellement selon l'invention le débit des boues dans chacun des diffuseurs est identique quelque soit la distance entre la pompe et le diffuseur. Ceci peut être important particulièrement pour maintenir constante la vitesse ascensionnelle du flux au travers du lit de boue dans le digesteur. Selon l'invention lorsque le digesteur comporte plus d'un diffuseur, donc plus d'une pompe, chaque pompe peut fonctionner indépendamment des autres mais 5 préférentiellement selon l'invention l'ensemble des pompes fonctionne simultanément. D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 présente une vue en coupe du dispositif de diffusion des boues selon l'invention ; la figure 2 présente une vue supérieure d'un digesteur à lit de boue comprenant un ensemble de 7 dispositifs de diffusion des boues selon l'invention ; la figure 3 présente en A une représentation des 7 pompes 10 d'alimentation/refoulement des boues reliée à chacune à un diffuseur selon l'invention et en B le détail d'une de ces pompes ; la figure 4 présente une coupe d'un digesteur muni d'un diffuseur selon l'invention et d'un moyen d'alimentation en boue relié au moyen d'alimentation du diffuseur ; la figure 5 présente en A une coupe du moyen d'alimentation en boue du digesteur 15 de la figure et en B une vue en plan du même moyen d'alimentation en boue du digesteur. Ainsi par référence aux figures, on observe à la figure 1 une vue en coupe du dispositif de diffusion (10) des boues selon l'invention comprenant un fond (11) constitué d'une paroi pleine (12) relevée sur son pourtour extérieur (13), un couvercle (14) constitué d'une paroi (15) perforée de trous (16), une alimentation (17) du diffuseur débouchant par 20 le centre du couvercle à l'intérieur de l'espace ménagé par la réunion du fond et du couvercle du diffuseur. Le diffuseur du circuit de mélange est placé sur le fond du digesteur, il est de forme circulaire construit en deux parties, au fond une tôle pleine relevée sur son pourtour extérieure, au dessus une tôle perforée de trous 30 mm de diamètre réparties de manière 25 à laisser un passage de diffusion égal à 30% de la surface de la tôle, cette tôle est placée à 10 cm au dessus de la tôle du fond afin de maintenir une pression régulière du flux de boue ascendant. Dans les digesteurs de diamètre important le fond est appareillé de sept diffuseurs répartis au fond du digesteur, des espaces sont volontairement aménagés pour des 30 raisons qui ne relèvent pas du brevet demandés. On observe à la figure 2 une vue supérieure d'un digesteur à lit de boue comprenant un ensemble de 7 dispositifs de diffusion des boues (a, b, c, d, e, f et g) de forme circulaire, chacun des diffuseurs présentant une alimentation (27) au centre de son couvercle reliée à une canalisation (215), ladite canalisation étant reliée à une pompe 35 d'alimentation/refoulement (P1, P2, P3, P4, P5, P6 et P7) située à l'extérieur du digesteur. Sept pompes, dont le débit est adapté au flux de boue, alimentent indépendamment chaque cône de diffusion, les sept pompes fonctionnent simultanément. 6 On observe à la figure 3, en A une représentation d'un groupe de 7 pompes d'alimentation/refoulement (P1, P2, P3, P4, P5, P6 et P7) des boues chacune reliée à un diffuseur selon l'invention par l'intermédiaire de la canalisation d'alimentation (315) et recevant la boue au travers d'une canalisation d'acheminement des boues (39). On note sur les pompes et les canalisations la présence d'un débitmètre (310), de vannes papillon (311), de robinets de purge (312), de bride de dilatation (313). En B, le détail d'une des pompes et des canalisations qui lui sont reliées est représenté. Chaque pompe est équipée d'un débitmètre. Le débit est ajustable à l'aide d'un jeu de vanne, ainsi le débit est identique pour chaque pompe quelque soit la distance entre la pompe et le diffuseur. Ceci permet de maintenir constante la vitesse ascensionnelle du flux au travers du lit de boue. Cette vitesse est connue de l'homme de l'art. On observe à la figure 4, une coupe latérale d'un digesteur à lit de boue équipé d'un dispositif de diffusion (40) selon l'invention (la coupe fait qu'il n'en apparaît qu'un), ledit dispositif de diffusion présentant une alimentation (47) reliée par une canalisation à une pompe (Px) d'alimentation / refoulement, ladite pompe étant elle-même reliée à un moyen d'injection des boues (416) dans le digesteur par une canalisation (49), une partie dudit moyen d'injection des boues (416) étant s tué sous le niveau du liquide contenu dans le digesteur (417), l'autre partie émergeant au dessus dudit liquide. On note encore dans cette figure la présence d'un débitmètre (410), de vannes (411), et d'une bride de dilatation (413). Un réceptacle formé par un réservoir cylindrique de 2 m de diamètre est placé à une distance de 20 cm sous la surface du niveau liquide du digesteur il permet de réceptionner les boues à incorporer, cec par l'intermédiaire d'un tube de 50 cm de diamètre. Ce tube est immergé jusqu'à une profondeur de 1,70 m sous le niveau du liquide à l'intérieur du réceptacle. Les boues à incorporer sont amenées dans ce tube par une canalisation alimentée par une pompe d'alimentation. Les boues sont déversées dans le tube de 50 cm de diamètre à une distance de 20 cm au dessus du niveau liquide du digesteur. Sept canalisations (une par pompe) aspirent au fond du réceptacle de manière continue. Le débit d'aspiration des pompes de diffusion est supérieur au débit de la pompe d'alimentation ceci afin d'éviter le débordement des boues fraîches au dessus de la paroi du réceptacle. On observe à la figure 5, en A une coupe et en B une vue en plan du moyen d'alimentation (516) du digesteur en boue. On note la présence de 7 canalisations (59) reliant chacun le fond dudit moyen d'alimentation en boues (516) à une pompe (non représentée). On note encore la présence du réservoir (518) formant le réceptacle dudit moyen d'alimentation en boues, le tube (519) immergé sous le niveau du liquide (416) à l'intérieur dudit réceptacle, la canalisation d'arrivée des boues à incorporer (520), plongeant dans ledit tube immergé (519) à l'intérieur dudit réceptacle. On note que ladite canalisation (520) s'arrête au dessus du n veau du liquide contenu dans le digesteur. Sur la vue B, on note la disposition en rond des orifices (521) des 7 canalisations (59) reliant chacun le fond dudit moyen d'alimentation en boues (516) à une pompe (non représentée). 8 iv