Réacteur pour le traitement biologique des eaux
La présente invention a pour objet un réacteur pour le traitement biologique des eaux résiduaires avec séparation, par fluide, de la suspension et retour automatique de la boue activée
dans le compartiment de fermentation, ce réacteur étant principalement approprié pour la purification des eaux résiduaires concentrées.
Lors du traitement biologique des eaux résiduaires, l'intensité des processus de purification est d'autant plus élevée que la concentration de la boue activée dans le compartiment de fermentation est importante. En conséquence, il est avantageux de maintenir, dans le compartiment de fermentation, une haute concentration de la boue activée. A cet effet, on renvoie, dans le compartiment de fermentation, la boue qui a été séparée de l'eau clarifiée dans le compartiment de séparation. Le degré d'efficacité le plus élevé pour la purification des eaux résiduaires est obtenu dans un réacteur comportant, dans un système compact unitaire, un compartiment de fermentation et un compartiment de séparation, la boue activée étant renvoyée automatiquement dans le compartiment de fermentation sous l'action de la gravité.
Toutefois, les systèmes de ce type connus actuellement présentent une série d'inconvénients. Un de ces inconvénients réside dans le fait que ces systèmes ne permettent pas d'obtenir un équilibre proportionnel du processus de séparation et du processus de fermentation pour différentes concentrations d'eaux résiduaires, tout en maintenant simultanément les paramètres économiques et opératoires optima. Le degré d'efficacité de la séparation dépend notamment des dimensions de la surface de séparation, tandis que la fermentation dépend, entre autres, de la capacité du compartiment de fermentation. En conséquence, pour différentes concentrations des eaux résiduaires, il existe différents rapports optima entre ces paramètres ce qui, dans les systèmes connus actuellement, conduit à des constructions sensiblement différentes pour différentes eaux résiduaires.
Dans ce cas, dans de nombreux types de systèmes, des facteurs de dimensions entrent encore en ligne de compte en cas de modifications du rendement (la surface et la capacité dépendent différemment des dimensions), ces modifications de construction nécessitant également des capacités différentes pour les installations de purification. Toutes ces caractéristiques entraînent une série de difficultés de nature technique telles que, par exemple, des conditions hydrauliques différentes du système, des constructions et des projets ou des adaptations propres des différents systèmes, d'où possibilité moindre de réaliser un modèle type et d'envisager une fabrication à l'échelle industrielle. Evidemment, ces difficultés rejaillissent alors également dans les paramètres économiques.
Un autre inconvénient des systèmes de ce type connus actuellement réside dans le fait que, dans le cas d'une activation par aération, on ne peut envisager un système d'aération comportant un dispositif d'agitation à turbine immergé profondément qui, dans les systèmes d'aération connus, assure le degré d'efficacité maximum (par l'expression "dispositif d'agitation à turbine", on entend un système provoquant une aspiration intensive dans le sens axial et une centrifugation du liquide dans le sens radial).
Cet inconvénient découle du fait que, dans ces réacteurs, l'efficacité de séparation dépend de la nature de l'écoulement dans le compartiment de fermentation, tandis qu'un dispositif d'agitation à turbine immergé profondément dans le compartiment de fermentation donne des conditions d'écoulement totalement différentes de celles obtenues avec d'autres dispositifs d'aération utilisés dans ces réacteurs. Une conséquence de cette caractéristique réside dans une grande consommation d'énergie lors de l'opération.
Les inconvénients précités sont évités dans une forte mesure grâce à un réacteur de traitement biologique des eaux
avec séparation de la suspension au moyen d'un fluide et retour automatique de la boue activée dans le compartiment de fermentation suivant l'invention comportant un récipient muni d'une enveloppe avantageusement de type circulaire où, au moyen d'une cloison inclinée dans la partie supérieure du récipient, ayant essentiellement la forme d'un entonnoir en position normale ou renversée, le récipient est subdivisé, au-dessus de cette cloison, en un compartiment pour la filtration au moyen d'un fluide et, en dessous de la cloison, en un compartiment de fermentation, le compartiment prévu pour la filtration au moyen d'un fluide comportant, dans sa partie inférieure, une entrée offrant une résistance hydraulique et permettant l'entrée des eaux traitées venant du compartiment de fermentation dans le compartiment pour la filtration par fluide avec, simultanément,
une descente de la suspension coagulée maintenue dans la couche fluide de ce com-�
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de fermentation dans lequel est prévu un dispositif destiné à déplacer le liquide qui s'y trouve, provoquant ainsi, à proximité de l'entrée du compartiment pour la filtration par fluide, un écoulement ayant une composante descendante.
Avantageusement, en dessous de cette cloison, dans le compartiment de fermentation, au moyen d'une autre cloison, on délimite un canal de redressement ouvert aux deux extrémités et qui, dans sa partie inférieure, débouche dans l'entrée du compar- timent pour la filtration par fluide. Comme dispositif en vue de mettre le liquide en mouvement, on utilise avantageusement un dispositif d'agitation à turbine dans la zone d'aspiration du- quel débouche une alimentation d'un milieu d'oxydation; dans ce cas, à l'intérieur du compartiment de fermentation, on prévoit
des parois de rebondissement empêchant un mouvement circulaire dans ce compartiment.
Des exemples de constructions du réacteur suivant l'invention sont illustrés dans les dessins annexés dans lesquels
les figures 1 et 2 illustrent, par une coupe axiale verticale, deux variantes différentes du réacteur.
Le réacteur représenté à la figure 1 comporte un réci- pient de type circulaire muni d'une enveloppe 1 et d'un couvercle 14. Par la cloison 2 prévue dans la partie supérieure du récipient, le compartiment du réacteur est subdivisé en deux compartiments de travail, notamment en un compartiment de fermentation A dans lequel se déroulent les processus microbiologiques de la purification des eaux, ainsi qu'en un compartiment F prévu pour la filtration par fluide et servant à séparer la suspension de la boue activée formée dans le compartiment de fermentation A pendant le procédé de purification des eaux. La cloison 2 a la forme d'un entonnoir et elle est située dans la partie supérieure du réacteur, le compartiment de fermentation A se trouvant en dessous de cette cloison 2, tandis que le compartiment F pour la filtration par fluide se trouve au-dessus.
En dessous de la cloison 2, dans le compartiment de fermentation A, une autre cloison 4 délimite un canal de redressement G qui est ouvert aux deux extrémités et qui communique, dans sa partie inférieure et via l'entrée centrale 3, avec le compartiment F pour la filtration par fluide. La cloison 4 est également en forme d'entonnoir et elle est disposée concentriquement à la cloison 2, le canal de redressement G formé par les deux parois 2 et 4 s'élargissant vers le bas. Comme dispositif 5 en vue de mettre en mouvement le liquide contenu dans le compartiment de fermentation, dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, on indique un dispositif d'agitation à turbine se trouvant dans l'axe du réacteur et à proximité du fond.
En dessous du dispositif 5 destiné à mettre le liquide en mouvement, un milieu d'oxydation est amené par un conduit d'alimentation 6, de sorte que le dispositif 5 fait en même temps partie du système d'oxydation du réacteur.
La structure intérieure du réacteur permet également d'utiliser un autre dispositif 5 pour mettre le liquide en mouvement et ce, aussi bien avec que sans alimentation du milieu d'oxydation, par exemple, un dispositif d'agitation à hélice ou un dispositif mixte élévateur d'air/eau prévu près de la périphérie du réacteur. Si, à cet effet, on emploie un dispositif d'agitation à turbine, le compartiment de fermentation 5 est équipé de parois de rebondissement 7 en vue d'empêcher un mouvement circulaire du liquide. En outre, le réacteur comporte un conduit tubulaire 8 pour l'évacuation de la boue en excès hors du compartiment de fermentation A. Dans le compartiment de fermentation, débouche également la conduite d'alimentation 10 des eaux résiduaires à purifier.
Dans la partie supérieure du compartiment de fermentation A, se trouvent des conduits d'aération 9 qui, dans l'exemple représenté, débouchent dans un compartiment 0 séparé, par une cloison 12, du compartiment F pour la filtration par fluide et comportant un couvercle 14. Dans sa partie supérieure, le compartiment 0 comporte un conduit 13 pour l'évacuation des gaz et, dans sa partie inférieure, un conduit d'évacuation 15 débouchant dans le compartiment de fermentation A.
Le système décrit fonctionne de la manière suivante :
le liquide contenant des matières organiques, généralement des eaux résiduaires ayant une forte teneur en matières organiques, est amené dans le compartiment de fermentation A par la conduite d'alimentation 10. Grâce à la structure du compartiment de fermentation A, on peut effectuer une purification des eaux aussi bien dans le cas d'une teneur suffisante que dans le cas d'une teneur insuffisante en oxygène pour le processus de fermentation. La différence de[pound] réacteurs pour les deux processus de fermentation réside uniquement dans l'alimentation du milieu d'oxydation pour les processus aérobies de purification des eaux. Un exemple d'une purification aérobie des eaux est le processus
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avec une teneur insuffisante en oxygène est une dénitrification des eaux résiduaires. Le réacteur représenté à la figure 1 est adapté à une purification aérobie des eaux par activation et, en conséquence, il est équipé d'une alimentation 6 du milieu d'oxydation, par exemple, de l'air ou de l'oxygène concentré. Comme dispositif 5 en vue de mettre le liquide en mouvement, on utilise un dispositif d'agitation à turbine servant, d'une part, à créer l'écoulement nécessaire dans le compartiment de fermentation A tandis que, d'autre part, il forme une source de turbulence en vue d'accroître l'efficacité de l'oxygène admis ou d'un autre milieu d'oxydation gazeux dans le liquide. Un dispositif d'agitation à turbine est particulièrement approprié à cet effet, car
la majeure partie de l'énergie nécessaire pour entraîner ce dispositif d'agitation est exploitée pour créer une turbulence, permettant ainsi d'obtenir une grande capacité d'oxydation avec un haut degré d'efficacité dans le processus.
Le dispositif d'agitation à turbine crée, dans l'axe
du compartiment de fermentation A, un écoulement vertical en direction de ce dispositif d'agitation, ainsi qu'un écoulement radial par rapport à ce dispositif dans son plan de montage. Le milieu d'oxydation est amené, par un conduit d'alimentation 6, dans la zone d'aspiration du dispositif d'agitation à turbine. Les parois de rebondissement 7 prévues dans le compartiment de fermentation A à proximité de l'enveloppe 1 empêchent le liquide d'effectuer un mouvement circulaire dans le compartiment et
elles assurent un redressement du courant de liquide contenant
le milieu d'oxydation dispersé en un courant vertical le long
de l'enveloppe 1. Dans la partie supérieure du compartiment de fermentation A, le courant ascendant se transforme en un courant descendant incliné vers l'axe du compartiment de fermentation A, puis il descend le long de cet axe vers le conduit d'aspiration du dispositif d'agitation à turbine. Pendant cet écoulement,
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<EMI ID=4.1> <EMI ID=5.1> les conduits d'aération 9. Une partie du courant descendant du liquide débarrassé de l'air pénètre dans le canal de redressement
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la cloison 2 du compartiment de fermentation A et du compartiment F pour la filtration parfluide. Le courant de liquide dans le canal de redressement G a la même direction que le courant principal Je liquide dans le compartiment de fermentation A en dessous de la cloison 4. Le canal de redressement G a pour but de réduire la vitesse d'écoulement du liquide à proximité de l'entrée 3 au-dessus de laquelle le compartiment de fermentation A est relié au compartiment F pour la filtration par fluide. La réduction de la vitesse d'écoulement près de l'entrée 3 empêche la formation de tourbillons gênants dans le compartiment F pour la filtration par fluide, tout en assurant également un haut
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d'une filtration par fluide. Le canal de redressement G S'élargit[ vers le bas, compensant ainsi partiellement la réduction de la
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noir. Lors de l'écoulement dans le canal de redressement G, une partie de la suspension est séparée du liquide, contribuant ainsi à augmenter le degré d'efficacité du processus de séparation dans le compartiment F pour la filtration par fluide, puisqu'aussi bien une partie de la suspension coagulée est renvoyée directement dans le compartiment de fermentation. Du canal de redressement G, l'eau contenant la suspension de flocons de la boue activée pénètre, via l'entrée 3, dans le compartiment F pour la filtration par fluide.
Lors de la filtration dans la couche fluide, la suspension de flocons coagule, provoquant ainsi une sédimentation des particules plus lourdes de la suspension sous l'effet de la gravité, ces particules tombant, via l'entrée 3, dans les canaux de redressement G où, grâce au courant descendant qui y est créé, la suspension coagulée est renvoyée dans le compartiment de fermentation A.
L'eau filtrée grâce à une filtration par fluide est évacuée par des chenaux collecteurs 11 prévus dans la partie supérieure du compartiment F pour la filtration par fluide. La boue en excès est évacuée périodiquement pendant une courte interruption de l'agitation dans le compartiment de fermentation A.
La conduite tubulaire 8 est utilisée pour l'évacuation de la boue. Lors de la purification d'eaux résiduaires concentrées """""dans lesquelles se forme une grande quantité de mousse, le réacteur est complété par le compartiment 0 séparé, par une cloison
12, du compartiment F pour la filtration par fluide. Dans sa partie supérieure, le compartiment 0 est fermé par un couvercle
14 et il comporte un tube 13 en vue d'évacuer les gaz hors du réacteur. Le compartiment 0 sert à épaissir, par gravitation,
la mousse pénétrant à cet endroit par les conduits d'aération 9 avec les gaz venant du compartiment de fermentation A. Sous l'effet de la gravité, la mousse condensée revient, via le conduit d'évacuation 15, dans le compartiment de fermentation A.
Le compartiment 0 peut également être utilisé pour recueillir l'oxygène concentré non consommé lorsque ce dernier est utilisé comme milieu d'oxydation. L'oxygène non consommé qui contient des gaz formés pendant le processus de sédimentation
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à un autre réacteur, augmentant ainsi le degré d'efficacité de son utilisation.
Le réacteur suivant l'invention n'est nullement limi- j té à une application pour la purification aérobie d'eaux rési-
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processus de fermentation avec une teneur insuffisante en oxygène. Pour cette utilisation- du réacteur, le compartiment de fermentation A ne reçoit pas d'oxygène ou n'en reçoit qu'en une quantité insuffisante pour créer des conditions aérobies en vue d'un processus de fermentation. A cet effet, le dispositif 5 le plus avantageux pour mettre le liquide en mouvement dans le com- partiment de fermentation A est, par exemple, un dispositif d'agitation à hélice ou un dispositif mixte élévateur, d'air/eau dans lequel pénètre une faible quantité d'oxygène.
Les deux dispositifs mentionnés 5 pour mettre le liquide en mouvement créent dans le compartiment de fermentation A, un écoulement analogue à celui obtenu en utilisant un dispositif d'agitation à turbine, assurant ainsi le courant nécessaire dans le canal de redressement G en vue d'obtenir une séparation pleinement efficace dans le compartiment F pour la séparation par fluide.
Le réacteur représenté à la figure 2, dans laquelle les mêmes éléments sont désignés par les mêmes chiffres de référence, est principalement approprié pour les réacteurs de grande capacité. Il se distingue de la forme de réalisation représentée à la figure 1 du fait que, dans sa partie supérieure, le compartiment F pour la filtration par fluide est disposé sur la périphérie du récipient avec l'enveloppe 1. Dans sa partie supérieure, l'enveloppe 1 du réacteur se transforme en un entonnoir. La cloison 2 séparant le compartiment de fermentation A du compartiment F pour la filtration par fluide a la forme d'un entonnoir renversé se terminant, dans sa partie supérieure, par un couvercle 14 et un conduit 13 pour l'évacuation des gaz.
Les bords inférieurs de la cloison 2 et de l'enveloppe 1 définissent l'entrée 3 reliant le compartiment F pour la filtration par fluide au compartiment de fermentation A. Le compartiment de fermentation A comporte un dispositif 5 en vue de mettre le liquide en mouvement, ce dispositif servant en même temps à disperser le milieu d'oxydation et à augmenter la turbulence du liquide. Comme dispositif 5 en vue de mettre le liquide en mouvement, dans ce cas, on utilise un dispositif d'agitation à turbine, le milieu d'oxydation étant amené, par un conduit d'alimentation 6, dans la zone d'aspiration de ce dispositif 5. A l'intérieur du compartiment de fermentation A, on prévoit, concentriquement au dispositif d'agitation à turbine 5, une cloison 4 pénétrant dans la zone de l'écoulement radial du liquide par rapport au dispositif d'agitation à turbine 5.
En outre, dans le compartiment
de fermentation A, on prévoit des parois de rebondissement 7 ayant pour but d'empêcher un mouvement circulaire du liquide dans le compartiment de fermentation A autour de l'axe vertical de ce dernier. L'entrée 3 du compartiment F pour la filtration par fluide est reliée au compartiment de fermentation A au moyen d'un canal de raccordement P formé par une paroi 16 et l'enveloppe 1. Le canal de raccordement P ne débouche dans le compartiment de fermentation A qu'à l'endroit où le courant de liquide formé par le dispositif d'agitation à turbine 5 et la cloison 4 est essentiellement dirigé vers le bas. La cloison 4 est prolongée vers le bas jusqu'en dessous de l'embouchure du canal de raccordement P et, conjointement avec la paroi 16, elle forme
un canal de redressement G dont les dimensions sont calculées
de telle sorte que l'intensité d'écoulement qui y règne ne provoque aucun tourbillonnement dans le canal de raccordement P, tout en contribuant à renvoyer, dans le compartiment de fermentation A, la suspension coagulée venant du compartiment F pour la filtration par fluide. Dans cette forme de réalisation, le compartiment fermé 0 est situé uniquement au-dessus du compartiment central de fermentation A.
Le fonctionnement du réacteur représenté à la figure
2 est analogue à celui du réacteur représenté à la figure 1. En disposant le compartiment F pour la filtration par fluide sur la périphérie de la partie supérieure du réacteur, la surface de séparation du compartiment F pour la filtration par fluide peut être augmentée par l'élargissement de l'enveloppe 1 en forme d'entonnoir dans la partie supérieure du réacteur. Dans ce cas. également, le canal de raccordement P permet d'utiliser un dispositif d'agitation à turbine comme dispositif 5 en vue de mettre le liquide en mouvement dans le compartiment de fermentation A. Tout comme dans le réacteur représenté à la figure 1, dans ce cas également, on peut utiliser le réacteur représenté à la figure 2 pour des processus de purification autres que des processus aérobies, par exemple, pour la dénitrification avec quantité insuffisante d'oxygène.
Dans ce cas, comme dispositif 5 en vue de mettre le liquide en mouvement, on peut utiliser un dispositif mixte élévateur d'eau/air ou un dispositif d'agitation à :hélice avec faible apport d'oxygène à partir de l'air, ce dispositif assurant. un mouvement suffisant du liquide en cas de teneur insuffisante en oxygène dans ce dernier pour les processus microbiologiques
de fermentation. En fermant le compartiment de fermentation A
et en l'équipant d'un système d'oxydation mécanique très efficace, on peut également exploiter économiquement de l'oxygène concentré comme milieu d'oxydation lors de processus aérobies de purification des eaux. La forme du réacteur n'est pas limitée à une enveloppe 1 de type circulaire que l'on emploie avantageusement pour une enveloppe métallique, mais ce réacteur peut également avoir une autre section transversale, par exemple, une section transversale carrée lorsque l'enveloppe 1 est réalisée, par exemple, en béton armé.
Le réacteur suivant l'invention offre une série d'avantages. On peut aisément modifier le rapport entre les dimensions de la surface de séparation et les dimensions du compartiment d'activation en modifiant la hauteur de l'enveloppe du réacteur sans cependant apporter d'importantes modifications à la construction, les conditions d'écoulement et, dès lors, également l'efficacité restant inchangées. De ce fait, on peut employer des systèmes spécifiques normalisés pour différentes concentrations d'eaux résiduaires.
Etant donné que le réacteur a une forme offrant des possibilités d'adaptation, pour des réacteurs de capacité différente, on peut employer un type de construction optimum; par exemple, pour les petits réacteurs comportant une enveloppe de type circulaire, on peut avantageusement employer un réacteur d'un assemblage léger constitué de segments aisément transportables, lesquels peuvent être fabriqués en série et être déjà enduits, chez le fabricant, d'une couche complète de protection superficielle. De ce fait, on peut envisager une fabrication en série, tout en réduisant les frais de transport et de montage. En même temps, on réalise ainsi d'importantes économies.
Grâce à la forme du réacteur, des conditions relativement modérées sont imposées à la surface du fond, ce qui est particulièrement avantageux lors de la construction de dispositifs de clarification dans des installations existantes où il y a peu de place. Du fait que l'on peut fermer aisément le compartiment de fermentation, ce réacteur permet également d'effectuer des processus de fermentation avec apport insuffisant d'oxygène, par exemple, dans le cas d'une dénitrification. La possibilité d'utiliser un dispositif d'agitation à turbine immergé profondément contribue à assurer un haut degré d'efficacité lors de l'aéra-
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sommation d'énergie. En outre, dans le cas des eaux résiduaires