Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
La presente invention concerne une installation et
un procede pour le traitement biologique en continu d'eaux
residuaires.
La présente lnvention-est un perfectionnement apporte
au filtre bi.o]ogique pour l'épurati.on d'eaux residuaires objet
du brevet canadien N 990~8~9 accorde le 8 juin 1976 a la
Demanderesse.
Le filtre suivant ce brevet comporte un lit de ma-
teriaux filtrants, tels qu'argile cuite, chamotte par exemple,
de faible granulometrie: de 0,5 a 4 mm, de preference 2 mm,
dont la surface presente, d'une part: des sites limites pour
permettre la~fixation du film bacterien et son maintien, même
sous des conditions de lavage intense et repete et, d'autre
part: un aspect lisse pour permettre l'elimination par lavage
de toute culture bacterienne sur cette partie lisse de la sur-
face.
Le filtre, objet du brevet precite, est utilisé en
aérobiose dans une installation d'épuration biologique d'eaux
résiduaires; l'eau entrant sur le filtre est portée à une con-
centration elevée en oxygene aussi proche que possible de lasaturation par préaération au moyen d'un dôme ou tube poreux
a haut rendement de diffusion ou tout autre moyen quelconque
convenable. Dans ce cas, on peut atteindre des valeurs de
7 à 3 mg/l d'oxyg~ne dissous selon la temperature de l'eau.
Si, au lieu d'injecter de l'air, on injecte de l'oxygene pur
ou de l'air enrichi en oxygene, on peut porter cette valeur à
25-30 mg/l.
Il a été observe que la pollution, exprimee par sa
demande bio].ogique en oxygene en cinq jours ou DBO5, demande
une quantite relativement réduite d'oxygène pour être épurée
dans les conditions d'utilisation du filtre selon le brevet
précité.
,~ f'~
On détermine aisément que l'elimination de 1 mg de
DsO5 demande au maximum la dissolution de 0,5 à 0,7 mg d'oxy-
gene dans l'eau avant percola-tion a travers le filtre.
Ccla si~ni:Eie que par une preaeration ~ l'air, on
peut climiner, en ut:ilisant :le filtre su:ivant le l~rcvet prc-
ci-te, de 10 à 16 mg d~e DBO5 par litre d'eau filtree. Si l'on
utilise l'oxygène pur, cette quantite de pollution éliminee
peut être portee de 40 à 50 mg/l.
Lorsque l'eau residuaire urbaine ou industrielle
à traiter subit une epuration prealable au moyen d'un apport
de reactifs floculants et d'une separation des produits flo-
cules ou lorsque l'on veut purer directement une eau residuaire
peu chargee, il arrive frque~nent que la pollution dissoute
à l'entre du filtre atteigne, voire depasse, 100 mg/l de
DBO5.
Si l'on veut reduire cette pollution a une valeur
voisine de, ou inferieure à, 30 mg/l par l'emploi du filtre
objet du brevet precite, on constate que la quantite d'oxygène
disponible es-t insuffisante.
On peut alors, suivant le brevet precite, effectuer
un recyclage d'une partie de l'eau filtre en amont du dis-
positif de saturation en oxygène afin d'accroitre par ce biais
la quantite d'oxygène disponible.
Cependant, les vitesses de filtration sont alors
limitees entre 8 et 13 m3/m2/h. Le fait de recycler conduit
donc, si l'apport d'eau recyclee risque de faire depasser ces
valeurs, à accro;tre les dimensions du filtre.
La quantite de pollution eliminable par unite de
volume de materiau filtrant, pour une hauteur de couche com-
prise entre 1,5 et 2 mètres, est donc limitee à une valeur de
l'ordre de 2 kg de DBO5 par m3/j avec une preaeration à l'air
et à ~-5 k~ de DsO5 par m3/j si on utilise une injection d'oxy-
. ~ ,
v - -2-
~ .
., , ;
9~
; gène pur ou d'air enrichi en oxygène.
Le but de la presente invention est d'amener le filtre
biologique suivant le brevet precite à traiter une eau resi-
duaire dont on a porte la concentration en oxy~ène dissous à
une valeur s~lperieure ~ la concentration de saturation en oxy-
gène à la pression atmospherique (concentration qui peut varier
effectivement de 7 à 35-~0 mg/l selon la pression partielle
en oxygène à la pression atmospherique du gaz injecte), de
façon à accroitre les performances de ce filtre tant en quantite
de DBO5 eliminee par litre d'eau traitee qu'en quantite de
Dso5 eliminee par mètre cube de materiau filtrant. En outre,
il est ainsi possible de supprimer eventuellement le recyclage
d'eau filtree.
Selon la presente invention, il est prevu une ins-
tallation pour le traitement biologique en continu d'eaux
residuaires, cette installation comprenant une premiere enceinte
fermee, étanche aux gaz, dans laquelle est dispose un filtre
biologique, l'interieur de cette enceinte etant maintenu à une
pression superieure àla pression atmospherique; des moyens,
distincts de cette première enceinte, pour suroxygener l'eau
residuaire à traiter sous une pression.egale à la pression re~
gnant dans cette enceinte, ces moyens comprenant une seconde
enceinte close, etanche aux gaz, des moyens d'amenee de l'eau
residuaire pour introduire l'eau residuaire à traiter, a partir
d'une source d'eau residuaire distincte de la première enceinte,
dans cette seconde enceinte, et des moyens d'amenee d'oxygène
pour introduire du gaz contenant de l'oxygène dans cette seconde
enceinte, en quantite telle que l'oxygène de ce gaz se dissolve
dans l'eau residuaire suivant une quantite supérieu.re à la
valeur de la concentration de l'oxygene dans l'eau a la pres-
sion atmospherique; des moyens pour faire passer l'eau resi-
duaire, qui a ete suroxygenee dans la seconde enceinte, dans
-2a-
9~
la premi~re enceintc, sous cctte prcssion, cette prcmicrc cn-
ceinte ne comportant pas d'entree de gaz contenant de l'oxygène
pour amener directement de l'oxygène à l'eau dans ce-tte premiere
enceinte, l'eau residuaire etant purifiee biologiquement par
son passage a travers l.e filtre biologique, pour obtenir de
l.'eau purifiee; des moyens de sortie pour evacuer l'eau purifiee
de la premiere enceinte et pour amener cette eau purifiee a
un endroit d'utilisation distinct des moyens pour suroxygener
l'eau residuaire et de la source d'eau residuaire; des moyens
pour la mesure de la quantite d'oxygène residuel dissous dans
l'eau purifiee; des moyens, cooperant avec ces moyens de mesure
pour regler la pression regnant dans la seconde enceinte, et
ainsi la quantite d'oxygène dissous dans l'eau residuaire à
traiter.
Selon la presente invention, il est aussi prevu un
procede pour le traitement biologique en continu d'eaux re- -
siduaires, qui comporte les phases suivantes: l'in-troduction
de l'eau residuaire à traiter, à partir d'une source d'eau re-
siduaire, dans une enceinte d'oxygenation etanche aux gaz,
l'introduction de gaz contenant de l'oxygène dans cette enceinte
d'oxygenation, ~ une pression superieure à la pression atmos-
pherique et la dissolution de l'oxygène contenu dans le gaz
dans l'eau residuaire, en quantité supérieure à la valeur de
la concentration de l'oxygène dans l'eau à la pression atmos-
pherique, tout en maintenant cette pression dans l'enceinte
d'oxygenation, l'eau résiduaire etant ainsi suroxygénee, l'a-
menee de l'eau ainsi suroxygénée dans une enceinte fermee de
filtration, etanche aux gaz, distincte de l'enceinte d'oxyge-
nation et de la source d'eau residuaire, tout en maintenant
l'interieur de l'enceinte de filtration à la pression consideree
et en evitant l'introduction, dans l'enceinte de filtration,
d'oxygène autre que celui dissous dans l'eau residuaire, le
.,, . ~ .,
-2b-
.
~14~
passage de cette eau residuaire suroxygenee à travers le lit
filtrant biologique disposé dans l'enceinte de filtration,
produisant ainsi de l'eau purifiee, la mesure de la teneur
en oxygène residuel dissous de l'eau, le reglage de la pres-
sion, et par voie de consequence, la quantite d'oxygène dis-
sous dans l'eau residuaire ~ traiter en fonction de la teneur
mesuree en oxygene residuel dissous de l'eau purifiee.
, , ~ `
'
En effet, si l'on ne maintient pas la pression, il risque de se produite
dans la masse filtrante, des turbulences qui entra1nent un dégagement de l'oxy-
gène préalablement dissous dans l'eau résiduaire augmentant ainsi la consomma-
tion d'oxygène et perturbant la retenue des matières en suspension dans la massefilt rante.
Ce dégazage est évité en fermant le filtre, en augmentant la pression
intérieure du filtre par rapport à la pression atmosphérique ou ambiante, pour
l'amener à la pression régnant dans l'enceinte de suroxygénation.
L'eau à filtrer est oxygénée en continu, par exemple dans une enceinte
fermée et mise sous pression. L'oxygène, ou l'air enrichi en oxygène, est intro-duit dans l'atmosphare gazeuse qui règne dans la partie supérieure de l'enceintesoit ditectement, soit en traversant la masse liquide. L'eau à oxygéner est injec-
tée par une pompe, à une pression élevée, dans cette même enceinte. Le temps de
contact est déterminé pour qu'au débit maximal d'alimentation et à la pression
maximale de fonctionnement on obtienne une dissolution donnée d'oxygane dans
le liquide qui transite dans l'enceinte. Ce temps de contact est de l'ordre de une
à quelques minutes selon le dispositif d'injection de gaz utilisé et la turbulence,
favorable à la dissolution, maintenue dans la masse liquide contenue dans l'en-
ceinte .
De cette enceinte, et sans rupture de pression, l'eau residuaire suroxy-
génée est introduite de préférence dans la partie supérieure d'une (ou plusieurs)
enceinte contenant un matériau filtrant suivant le brevet précité, faite en un
matériau résistant à la pression et rendue étanche.
Suivantune autre caractéristique de l'invention, l'eau résiduaire sur-
oxygénée est introduite directement dans la masse filtrante.
Il est possible, pour une installation donnée, alimentée à un débit fixé,
de faire varier la quantité dloxygane dissous introduite dans l'eau à filtrer enfaisant varier la pression régnant dans l'enceinte et dans le filtre. .
Il est meme possible, également grace à l'invention, de faire varier,
au cours d'un cycle de filtration, la teneur en oxygane dissous dans l'eau en
fonction des variations possibles de sa teneur en DB05.
Dans une disposition avantageuse de l'invention, l'installation comporte
un dispositif d'analyse en continu de l'oxygène dissous résiduel dans l'eau filtrée
,: ~, . . j
, ;: '
:;
disposé immédiatement à la sortie du filtre. Ce dispositif, en comparant la
valeur mesurée à un instant donné à des valeurs fixes de consigne détermine
et commande par tout moyen quelconque approprié, l'augmentation ou la diminu-
tion de la pression d'injection du gaz dans l'enceinte.
Si la teneur en oxygène dissous dépasse une certaine valeur dans l'eau
filtrée, c'est que la demande en oxygène du système est faible parce que la
DBO5 de l~eau à traiter est faible, on pourra donc réduire la pression, donc
la teneur en oxygène dissous. Réciproquement, si la teneur en oxygène dissous
descend en dessous d'une valeur minimale dans l'eau filtrée, c'est que la demande
en oxygène du système s'est accrue parce que la DBO5 de l'eau à traiter a aug-
menté et il sera nécessaire d'accrs)itre la pression d'injection de gaæ et donc
d'augmenter la quantité d'oxygène dissous en amont du filtre, toutes ~utres choses
étant égales par ailleurs (température, débit dSeau, etc. . . ).
La description qui va suivre, en référence au dessin annexé, représen-
tant schématiquement un exemple de réalisation du filtre suivant l'invention
permettra de mieux comprendre l~invention.
L'installation est composée principalement d'un filtre biologique compor-
~ tant une ou plusieurs cuves étanches, fermées, susceptibles d'être mises sous
` pression.
Chaque cuve contient:
` - un double fond 2 muni de buselures 3 ou constitué par une plaque perforée,
- une couche de matériau support 4, une certaine quantité de matériau
filtrant 5 suivant le brevet précité, ddnt la hauteur est comprise entre 0, 5 et
.
4 m; par exemple comprise entre 2 et 3 m pour une vitesse de percolation de
10 à 20 m3/h/m2 d'eau contenant 30 à 50 mg/l d'oxygène dissous; et une vasque
d'introduction de l'eau et de départ des eaux de lavage 6.
Le filtre est équipé d'accessoires de contrôle et de sécurité tels que
une ou plusieurs prises d'échantillons 7, une soupape de sécurité 8, un purgeur
' 30 de gaæ 9, un manomètre 10.
L'eau à épurer entre dans le filtre par la tuyauterie 12 après ouverture
de la vanne 13 et est répartie sur la surface du filtre au dessus du matériau
filtrant par la vasque 6.
-- 4 --
.~
. ...
L'eau passe ensuite à travers le matériau filtrant puis éventuellement
à travers une ou plusieurs couches dlun autre matériau pouvant réaliser un
traitement complémentaire.
Plusieurs filtres peuvent etre montés en série.
La dissolution de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène pur, sous
pression, sleffectue dans une enceinte fermée, telle que ballon 14, distincte
clans l'exemple, du filtre, mais pouvant etre incorporée au filtre lui-meme,
au-dessus du matériau filtrant.
La quantité d'oxygène dissous dépendant de la surface de contact entre
l'oxygène gazeux et l'eau, on crée à l'intérieur de cette enceinte 14:
- soitune division du gaæ dans l'eau par création de bulles au sein du
liquide à l'aide de dispositifs connus tels que: formation d'un jet d'eau 15
frappant la surface du liquide 16, agitation mécanique de l'eau, diffusion du gaz
dans l'eau à travers un matériau poreux, introduction de gaz dans l'eau par
barbotage;
- soitune division de l'eau dans le gaz par des procédes connus tels que:
pulvérisation de l'eau dans ltatmosphère gazeuse, fractionnement d'un jet d'eau,ruissellement de l'eau dans l'air, agitation mécanique de l'eau;
- soit une combinaison de plusieurs des procédés ci-dessus.
L'installation comporte des éléments de régulation et de sécurité tels
que soupape de sécurité 8a et manomètre lOa. Dans le cas de l'exemple traité,
une ou plusieurs pompes 17 aspire l'eau à traiter dans la bache lg, la refoule
à la partie supérieure du ballon d'oxygénation 14 formant,à une vitesse déterminée,
un jet 15 dans la phase gazeuse.`
Le jet frappe la surface de la phase liquide 16 de facon à créer la turbu-
lence nécessaire à la dissolution de l'oxygène darls l'eau.
L'eau ainsi suroxygénée est dirigée vers le ou les filtres.
Le gaz est amené dans le ballon 14, par une tuyauterie 21, soit dans la
phase gazeuse, soit dans la phase liquide ou dans les deux à la fois. Ce gaz
peut etre plus particulièrement de l'air, de l'air enrichi en oxygène ou mieux,
de l'oxygène pur, et est supposé disponible à une certaine pression connue.
La pression peut être maintenue constante par un régulateur 19 prévu
sur la canalisation 19a d'amenée clu gaz. Une vanne d'i~s~3lement 20 permet de
couper l'arrivée de gaz au ballon 14 en cas de besoin,par exemple si le détec-
teur de niveau bas 22 que comporte le ballon indique que la quantité de la
phase liquide est trop faible.
Un détecteur de niveau haut 23 indique de la meme manière que la quan-
tité de la phase gazeuse est trop faible et peut arreter la ou les pompes d'ali-mentation 17.
Lteau résiduaire suroxygénée est admise dans le filtre, lequel se trouve
~ une pression dépendant directement de la pression dans le ballon 14 et du débit.
A la sortie du filtre, une vanne de régulation 25 maintient le filtre en pression.
Un détecteur de niveau 24 controle le niveau 16 de la phase liquide dans
le ballon 14 et commande la vanne 25.
Si le niveau 16 monte, la vanne 25 s'ouvre et inversement.
Les organes assurant les mesures de niveau 22, 23, 24, sont disposés
dans un endroit calme de l'enceinte 14 ou dans une enceinte séparée.
Un analyseur d~oxygène dissous 26 est disposé à la sortie du filtre ou
sur la prise d'échantillon 7, de fa,con à réguler la quantité d'oxygène utiliséeet à la limiter à la quantité nécessaire au traitement. Cet appareil commande
le régulateur 19: si la concentration en o~ygène de l'eau sortant du ou des
filtres, ou de l'eau en un point quelconque de la masse filtrante, dépasse une
~- 20 valeur de consigne, par exemple 2 mg/l, le régulateur 19 fait diminuer la pres-
sion de la phase gazeuse à l'intérieur de l'enceinte 14; le niveau 16 monte, le
, détecteur de niveau 24 fait ouv~ir un peu plus la vanne 25, ce qui provoque une
diminution de la pression de fonctionnement de l'installation, donc de la quantité
d'oxygène dissous et consommé.
Si l'analyseur d'oxygène 26 indique une concentration inféxieure à une
`~ valeur de consigne par exemple 1 mg/l, l'i nverse s~ produit.
L'eau filtrée sort du filtre par la canalisation 27a sur laquelle est prévue
la vanne 25. Elle est recueillie dans la bâche 27.
Un recyclage de l'eau traitée est possible, mais grâce à l'invention,
30 non nécessaire.
Exemple:
Des essais effectués sur appareils pilotes ont montré qu'en maintenant
une pression de 1 bar au-dessus de la pression atmosphérique normale, il était
- possible avec un dispositif très simple, suivant l'invention,
d'atteindre des valeurs d'oxygene effectivement dissous dans
une eau residuaire urbaine prealablement floculee et decantee,
; comprises entre 25 et 50 mg/l, la valeur exacte obtenue à un
- 5 moment donne dependant des conditions de milieu regnant a ce
moment: pression atmosphérique, température de L'eau, sali-
`~ nite et teneur en pollution de cette eau.
:j:~ A titre d'exemple, on trouvera ci-dessous les re-
sultats experimentaux obtenus au cours de quatre essais diffe-
rents dans un dispositif pilote conçu selon la presente
invention et comprenant essentiellement un filtre ferme d'une
surface de 0,125 m2 avec une couche de granules d'argile ex-
~ pansee d'une hauteur de 1,8 m. Le volume de materiau filtrant
.~ etait donc de 0,225 m3.
15
.
.. . Débit Vi'.esse O~gène DBO5 DBO5 Ds5 DBO Oxygene mg d'o- Matières
.~ d'eau de fil- dissous avant apres elimi- eli5i- dissous xy~ène en sus-
.~ tration avant fil- fil- nee en nee en après utilise pension
. filtre tre tre filtre par mg eau fil-
3 3 2 kg par DBO tree
~; . m /h m /m /h mg/l mg/l mg/l mg/l m3/j 5 mg/l
_
.~ 1,625 1336 83 2360 10,38 2 0,56 4
~ . 1,625 1333 74 3440 6,92 2,5 0,76 8,5
; . 1,875 1532 104 4262 12,40 4 0,45 9,5
. - 1,875 1533 92 3359 11,80 6 0,45 9,5.~ _ __
Il apparalt bien, des donnees numeriques du tableau
li, . .
: ci-dessus que l'invention permet, dans les conditions de l'ex-
perience, d'eliminer de 40 à plus de 60 mg/l de DBO5 et d'at-
.;. teindre, avec des vitesses de filtration depassant 13 m/h
des charges exprimees en pollution eliminee egales ou supe-
rieures a 12 kg de DBO5 par m3/j tout en maintenant un effe-t
de filtration très correct puisque les teneurs en matières en
- suspension dans l'effluent filtre ne depassent jamais 10 mg/l.
.On constate par ailleurs que cette epuration cor-
respond bien à un phenomene biologique identique à celui de-
, .
;
. .
. . .
. ~ :
49~3
crit dans le brevet precité, puisque la consommation d'oxy-
gene dans le filtre varie de 0,45 a 0,76 mg par mg de DB05
eliminee.
En augme~tant la pression dans le dispositif
d'injection d'oxygène, d'une part, en modiiant la vitesse
de filtration et la hauteur de la couche de materiau,
d'autre part, il est en fait possible, pour un dispositif réalisé selon l'inven-tion, d~atteindre des charges de 10 à 15 kg de DBO5 éliminée par m /j sur
la moyenne d'un cycle avec des valeurs horaires de pointe de 20 kg par m /j.
Les vitesses de filtration moyennes peuvent varier alors de 10 à
20 m/h avec des valeurs horaires de pointe de 25 à 30 m/h. Ces résultats
peuvent être obtenus lorsque la quantité de pollution à éliminer varie de 50
à 70 mg de DBO5 par litre d'eau à épurer.
`:
--8--
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