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La présente invention est relative à une installation pour le
traitement biologique de suspensions liquides contenant des matières oxydables,
applicable en particulier à l'épuration biologique des eaux résiduai res, au
traitement biologique d'eaux de fabrication industrielle ou au traitement de
liqueurs de fermentation .
Les procédés de traitement biologique ont pendant longtemps
utili6é l'air comme source d'oxygène . Il est maintenant bien connu, pour l'épu-
ration des eaux résiduaires par le procédé des boues activées par exemple,
d'utiliser comme agent d'oxydation un gaz porteur d'oxygène à une pression
partielle supérieure à celle de l'air atmosphérique, dit air enrichi en oxygène,
ou de l'oxygène pur, ce qui permet, par augmentation de la pression partielle
en oxyg~ne du gaz injecté, d'atteindre des capacités d'oxygénation très élevées,
pouvant dépasser aisément 500 g/h d'oxygène par m3 de cuve, et tout en uti-
lisant des d~bits de gaz r~duits . Souvent, pour r~duire au maximum les pertes
de ce gaz riche en oxygène et avoir le meilleur rendement possible de diffusion,
la ma~se liquide qui est à enrichir en oxygène est placée dans une enceinte
fermée, couverte .
. De ce fait, il est alors possible, dans le procédé d'épuration
par boues activées, de maintenir dan~ le réacteur b;ologique une forte concen-
tration en microorganismes; il est possible de mettre l'eau à épurer, le
substrat à oxyder, en contact avec des boues activées très concentrées dont
la demande en oxygène est tras supérieure à celle des boues activées dévelop-
pées dans une installation d'épuration utilisant l'air atmo~phérique seul . La
dégradation de la matière organique est donc plus rapide et le~ temps de contact
nécessaires plus courts .
L'obtention de cet avantage décisif se heurte;pourtant, jusqu'a
ce jour, ~ deux obstacles technologiques qui réduisent considérablement l'in-
téret pratique et économique de l'emploi de l'oxygène pur en particulier dans
les stations d'épuration biologique d'eaux résiduaires: .~
- 1 - ~,
~,.
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Un obstacle reside dans la separation du floc biologique.
Après sa mise en contact avec la masse bacterienne oxygenée, l'eau,
alors épurée, doit être d~barrass~e du floc biologique. Cette
séparation se realise normalement par décantation. Or, la
décantation d'une liqueur plus concentrée demande plus de temps
et des vitesses ascensionnelles plus réduites, de sorte que la
réductlon en volume du réacteur biologique que permet l'utilisa-
tion d'oxygène, peut être compensée au moins en partie, par le
surdimensionnement du décanteur. Certes, l'utilisation d'un gaz
enrichi en oxygene apporte une certaine am~lioration de la
structure physique de la boue (décantabilité) par rapport à
l'utilisation de l'air atmosphérique, mais ce gain est le plus
souvent insuffisant.
Le remplacement de la d~cantation par la flottation
comble, dans de nombreux cas, ce handicap mais cette technique
n'est pas toujours utilisable et elle est coûteuse en énergie.
L'autre obstacle concerne la r~gulation de l'apport
d'oxygane - ou d'air enrichi en oxygène - a l'installation.
Les Figures 1 et 2 des dessins annexés illustrent
schématiquement, dans sa conception classique, une telle installa-
tion et qui est constituée par une pluralité d'enceintes d'oxygé-
nation, telles que cuves couvertes Cl, C2 .. Cn, dispos~es en
série.
Les Figures 3 a 6 des dessins annexés représentent en
coupe schématique différents modes possibles de réalisation de
l'installation selon l'invention. Il est bien précisé qu'il
'agit uniquement d'exemples et que toutes autres proportions,
formes et dispositions pourraient être adoptées sans sortir
du cadre de l'invention.
Suivant les Figures 1 et 2, le liquide a traiter est
amené a la cuve amont Cl par une canalisation 1, et l'oxygane
par une canalisation 2 pourvue d'une vanne automatiaue d'admission
3 actionn~e par une prise de pression (non repr~sentée) prévue
~A - 2 -
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dans la nappe gazeuse de Cl de telle sorte que 3 s'ouvre quand
la pression en Cl descend au-dessous d'une valeur miminale
predéterminée. Les cuves cl, C2, Cn communiquent entre elles
par des ouvertures prévues dans leur cloisonnement s~parateur
et sont dot~es de dispositif d'aération 4 de la liqueur. Dans
la cuve aval Cn débouche, au-dessus du niveau atteint par la
liqueur, une canalisation 5 sur le trajet de laquelle est prévue
une vanne automatique 6 se fermant lorsque la teneur en oxygène
de la phase gazeuse de l'enceinte aval Cn tombe au-dessous
d'une valeur limite pr~déterminée.
Le liquide traité est ~vacué de l'enceinte aval Cn par
une canalisation 7 dans un décanteur 8. Les boues d~cantées sont
recyclées dans la cuve amont Cl,par une canalisation 9 branchée -
dans l'exemple - sur celle d'amenée du liquide à traiter.
L'installation représentée a la Fig. 2 ne diffare de
celle qui vient d'être d~crite qu'en ce qui concerne l'amenée
d'eau ~ épurer, qui est opérée au moyen d'une canalisation la
débouchant dansff la cuve intermédiaire C2, voisine de la cuve Cl.
Dans ces installations connues, le courant d'oxygène
va donc de la cuve amont vers la cuve aval, dans le même sens
que le liquide a épurer et les boues recyclées en vue de leur
réactivation.
Cette dispofsition présente un inconvénient: la
demande en oxygène, donc la consommation d'oxygene allant en
d~fcroissant de la cellule amont vers la cellule aval, lorsque
la pression partielle d'oxygène atteint, dans la phase gazeuse , ",
de la cellule aval Cn la valeur minimale d'alerte et que la vanne
6 de purge à l'atmosphere s'ouvre, les pressions partielles ~ ,
d'oxygane dans les phases gazeuses des enceintes Cl ... C2 sont,
elles, aussi, faibles et demandent a être renouv,elees. L'introduc-
tion d'oxygène par la vanne 3 s'effectue donc par a-coups et
manque de continuite~
La présente invention pallie ces deux inconv~nients.
_ 3 -
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Elle permet, d'une part, de réaliser une alimentation
plus réguliere en oxygène des différentes enceintes de l'installa-
tion, ce qui entraîne une continuité plus grande des teneurs
en oxygene dans la liqueur se trouvant dans les différentes
enceintes, avec, comme conséquence, un fonctionnement plus
régulier de l'installation, une consommation d'oxygene plus
réduite et en définitive, un bilan énergétique amélioré.
~ 3a ~
?r . ,
.,.,~ :
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Elle permet, d'autre part, de réduire les dimensions du
décanteur que comporte nécessairement l'installation, tout en maintenant
des concentrations élevées de boues activées dans les différentes enceintes
de l'installation .
Conformément à l'invention, et suivant une de ses carac-
téristique~ principales, l'oxygène, ou l'air enrichi d'oxy&ç,ène, est amené
à circuler dans l'enceinte d'oxygènation, à contre-courant de la liqueur et
des boues recyclées, l'oxygane étant introduit dans l'enceinte aval et la mise
à l'atmosphère s'effectuant dans l'enceinte amont, ce qui permet d'asservir
la mise à l'atmosphère de l'installation à la teneur en oxygane présentée par
la phase gazeuse de l'enceinte amont o~ la demande en oxygène et donc la
con~ommation de ce gaz ~ont les plus importantes .
L'afflux d'oxygène ou d'air enrichi en oxygène, provenant
de l'enceinte aval o~ la demande et la consommation sont moins importantes,
provoque une augmentation immédiate et continue de la teneur en oxygène de :
la phase ga~euqe de l'enceinte amont, La disposition suivant l'invention permet
ain~i de réaliser une réponse rapide à toute demande en oxygène, ainsi qu'une
alimentation réguli~re et continue, en oxygène, de l'installation,
Egalement conformément â l'invention et suivant une de ses
caractéristiques importante~ J la suspension liquide à épurer est amenée à
: .
subir une décaI~tation partielle, préalable à celle qui est parachevée dans le
d6canteur, lesboues biologiques concentrées obtenues lors de cette prédécan-
tation 6tant ramenées, avantageusement en même temps que celles provenant
du décanteur, en tête de l'installation, en we de leur recyclage dans le
processus de traitement de la suspension liquide à épurer, . .
Cette caractéristique de l'invention présente un double avan-
tage: .
- 4 -
., .' ~ '
.. -: .
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D I une part, elle permet de réduire les dimensions du
décanteur; d'autre part, elle accentue encore la rapidité de
reponse du systeme, decrit precedemment.
Dans la forme de réalisation repr~sentée ~ la Fig. 3 qui
est en une coupe schematique, l'installation est ~onstituée par
une cuve couverte 10, qu' un cloisonnement interne 11 divise en
deux enceintes: une enceinte amont 12 de réactivation des boues
et une enceinte aval 13 de contact, l'amont et l'aval étant
définis par rap~ort au sens de circulation dans la cuve de la
suspension liquide a traiter.
L'oxygene, ou l'air enrichi en oxy~ene, est amene dans
l'enceinte aval 13 par une canalisation 14 debouchant au dessus
du niveau, représenté schématiquement en 15 atteint par la
suspension liquide dans la cuve. La suspension liquide est
introduite également dans l'enceinte aval, ~ar une canalisation 16.
La nappe gazeuse située au-dessus du plan d'eau est
aspir~e par une pompe 17 et envoy~e dans un di~fuseur 18 prévu
au voisinage du fond de l'enceinte 13, dans la zonc 13a de cette
enceinte, sur le r81e de laquelle on reviendra plus loin.
l'enceinte 12 est, de son côté, munie d'un dispositif de brassage
et d'introduction aspirant la nappe gazeuse et assurant sa
diffusion dans la suspension a traiter. Ce dispositif peut
consister en une turbine à axe vertical représent~e schématique-
ment en 19. On peut également faire appel, à des di~fuseurs
immerg~s aliment~s a partir de compresseurs, soufflantes,
ventilateurs ou l'équivalent.
Le cloisonnement interne 11 de la cuve 10 est interrompu
au droit d'ouvertures 70, 21 pour permettre l'établissement d'une
circulation entre les enceintes 12 et 13 de la nappe gazeuse
(ouverture 20 et fleche f2)et de la liqueur louverture 21 et
flèche fl) contenant les boues activées. Conformément à l'invention
la cuve 10 communique avec l'atmosphere par l'enceinte amont 12,
grâce a une canalisation 12 sur laquelle est prevue une vanne 23
- 5 -
A
, . . ... , ... ~ ., . " . ., . , . , ,, ", . . .
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reliée à une prise de pression (non représentée) située dans la
nappe gazeuse de l'enceinte 12.
La cuve 10 est reliée, par son enceinte 13, au moyen
d'une canalisation 24 à un décanteur 25, duquel les boues 26
sont renvoyées par une canalisation 27 et une pompe 27a à
l'enceinte 12.
Par ailleurs, et conform~ment a l'invention, l'enceinte
13 présente deux zones: l'une 13a de contact et de brassage de la
nappe gazeuse avec la suspension à traiter et dans laquelle est
plac~ le diffuseur 18, l'autre 13b de décantation prealable pour
les boues biologiques, grace à la présence d'un concentrateur 28,
dans lequel sédimente une importante partie des boues biologiques
d'o~ elle est refoulée par la pompe 33 et la canalisation 34
dans la canalisation 27.
Les Fig. 4 et 5 représentent deux autres modes de
r~alisation de l'enceinte 13. Dans la forme de r~alisation de la
Fig. 4, une série de concentrateurs 29 ou tremies est aménagée
sur un des côtés de l'enceinte 13. Dans l'autre partie de
l'enceinte, des rampes de diffusion 30, placées sur le radier,
sont aliment~es en gaz surpress~ par l'intermédiaire d'un sur-
presseur 31 recyclant lui-meme le mélange gazeux surmontant le
niveau du liquide. Cette injection de gaz assure le brassage
et la mise en suspension des boues qui vont naturellement se
déposer dans les trémies, zone calme propice à la décantation
et a la concentration des particules en suspension.
Dans la forme de réalisation de la Fig. 5. l'agencement
des parois 29a des concentrateurs et des diffuseurs 30 permet
de réaliser cette concentration dans un compartiment de section
verticale décroissant du haut vers le bas et comportant a sa
base une fente 32 continue de faible
- 6 -
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ouverture . Un faible débit naturel de recyclage à travers cette fente, permet
aux boues concentrées d'être éventuellement reprises dans le rouleau de bras-
sage induit par l'effet de pompage des diffuseurs 30.
Il est ainsi possible de réduire, de 30 à 50% la concentra-
- tion en matières en suspension de la liqueur entrant dans 13 avant qu'elle ne
soit dirigée vers le décanteur .
Les boues prédécantées dans l'enceinte 13 sont refoulées,
par une pompe 33 et une canalisation 34, dans la canalisation 27 ramenant
les boues décantées, dans le décanteur 28, dans l'enceinte 12 où le courant
total de boue est réactivé, pour passer ensuite par l'orifice 21 dans l'encein-
te aYal 13 ( sens de la flèche fl ) .
Au sein de la phase gazeuse ragnant dans la cuve, au dessus
de son plan d'eau, s'établit, grace ~ la mise à l'atmosphère de l'enceinte
amont un courant qui va de l'enceinte aval 13, vers l'enceinte amont 12,
( sens de la fl%~che fz ) donc à contre-courant du sens de progre~sion des boues
dar~3 la cuve de traitement,
Dana l'enceinte amont 12, étant donn~ la concentration
élevée des boue~ présentes dans cette enceinte, la demande en oxygane est
la plUB forte, à l'inver~e de ce qui se pas8e dans l'enceinte aval fortement
oxygénée et dans laquelle la demande en oxygène est moins forte, du fait
de la réactivation préalable, dans l'enceinte amont, des boues biologiques
et du traitement déjà initié, dan~ cette enceinte, de la suspension,
Or, comme on l'a décrit précédemment, l'enceinte 12
amont est mise à l'atmosphère par le biais d'une vanne 23 qui se ferme dès
que la teneur en oxygène de la phase gazeu~e de cette enceinte tombe au
de8sous d'une valeur déterminée . Cependant, un afflux d'oxygène provenant
de l'enceinte aval provoquera une réouverture rapide de la vanne . Grâce
aux dispo~itions suivant l'invention, on réalise par rapport aux dispositions
connues rappelées plus haut, une régulation beaucoup plus sensible et une
va~iation beaucoup plus faible du débit d'oxyg~ene amené à l'installation,
... ... .. .. .. ... . . .. . . . .......
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Dans le cas où elle se produirait, une déficience
momentanée en oxygene dans l'enceinte 12 ne se traduirait que
par une plus haute reactivation de la boue, sans cons~quence
grave sur la qualite du liquide traite.
La Fig. 6 repr~sente une forme de réalisation d'une
installation suivant l'invention dans laquelle la cuve 10 comporte:
une enceinte amont 35 de reactivation, mise à l'atmosph~re par
une canalisation 36 munie d'une vanne 37 reli~e à une prise de
pression prévue dans la phase gazeuse de l'enceinte 35, laquelle
est munie de dispositifs de brassage 19 analogues à ceux équipant
l'enceinte amont 12 de la forme de réalisation repr~sent~e à la
Fig. 3; une enceinte aval 38 de contact comportant des comparti-
ments successifs 38a, 38b, 38c. Dans les compartiments 38a
et 38b débouchent les canalisations 40 et 41 d'amenée de la
suspension à traiter. Le compartiment 38a reçoit l'oxygane,
ou l'air enrichi en oxygane, par une canalisation 42. Ces deux
compartiments sont munis également de dispositifs de brassage 19.
Le compartiment 38c de l'enceinte aval est aménagé en deux zones,
l'une de brassage, l'autre de d8cantation pr~alable des boues,
~0 grâce au concentrateur 43. Ce compartiment 38c est doté d'un
diffuseur 18, alimenté par un surpresseur 17 en gaz pr~levé
sur la phase gazeuse ragnant dans l'enceinte.
Les différents compartiments de l'enceinte aval 38
de contact communiquent entre eux, par leur phase li~uide grâce
~ des cloisons siphoides 44, 45, 46. Au niveau de la phase
gazeuse les compartiments 38a, 38b et 38c communiquent entre
eux par des orifices 45a et 46a pratiaués à la partie supérieure ;
des cloisons 45 et 46. La phase gazeuse du compartiment 38c
de l'enceinte 38 est reliée par une canalisation extérieure 47,
à l'enceinte amont 35.
Les boues prédécantées dans le compartiment 38c de
l'enceint-e aval 38 sont recyclées par la canalisation 49,
menant à l'enceinte amont, en même temps que celles provenant
du décanteur 26a, relié ~ l'enceinte aval par la canalisation 48.
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Le fonctionnement d'une telle installation est le même que
celui qui a été décrit en référence à la Fig. 3, aussi bien en ce qui concerne
la prédécantation des boues que la régulation de l'oxygène ou l'air enrichi en
ox.ygène, l'introduction de ce gaz s'effectuant dans l'enceinte aval de contact
la mise à l'atmosphère s'ef~ectuant dans l'enceinte amont de réactivation .
Une telle installation permet de répartir la charge polluante
donc d'uniformiser le travail de la flore bactérienne et d'éviter le suréquipe-
ment de l'enceinte amont en appareils de brassage et de dissolution .
Un exemple typique de répartition des concentrations à
travers le système est le suivant:
Enceinte Enceinte intermédiaire Enceinte aval Sortie vers le
amont décanteur
12 g/l 8 g/l 6 g/l 4 g/l
Un gain de 30 % à 50 % sur la concentration de la liqueur
d'alimentation du décanteur entraîne une réduction du mame ardre de grandeur
sur la surface et le volume de cet ouvrage .
Bien entendu, le nombre de compartiments de l'enceinte
aval de contact peut ~etre quelconque ou déterminé en ~onction des be~oins
pour chaque cas particulier .
D'ailleurs, 1 'invention peut être réalisée suivant de
zo nombreuses autres variantes, sans pour autant s'écarter de son principe.
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