"Procédé et appareil pour la chloration et la désinfection de liquides résiduaires".
La présente invention est relative,d'une manière générale , au domaine du traitement des résidus ou matières
de rebut , et elle se rapporte pins particulièrement au domaine de la désinfection de liquides résiduaires , tels les eaux usées , par l'utilisation d'agents désinfectants , tels que l'ozone ou le chlore .
Depuis de nombreuses années, on sait que le chlore est un bon désinfectant et, spus une forme ou l'autre, on l'a utilisé dans la majorité des systèmes conçus pour donner une eau sans germe .A titre d'exemple dans presque toutes les installations modernes de traitement des eaux usées , on utilise du chlore pour réduire le nombre de bactéries dans l'effluent final , avant la décharge de celui-ci hors du système , habituellement dans un cours d'eau. Une installation ou un système de chloration peut également assurer l'enlèvement des couleurs , la correction du goût , l'élimination d'odeurs et la suppression d'autres types de croissances biologiques indésirables. Le chlore est également largement utilisé dans le traitement des déchets industriels et des eaux en général.
Des progrès importants dans la chimie de la chloration de l'eau ont été faits au cours des récentes décades.
On sait que cette chimie est relativement complexe et divers aspects de la chimie de chloration dès eaux peuvent se retrouver dans "Chemistry and Control of Modern Chlorination" par A.T.
Palin (1973) . Sous ce rapport , cependant , il est admis que
le chlore est un bon désinfectant lorsqu'on l'astique à un liquide résiduaire sous la forme d'une solution de chlore ga-
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il s'hydrolyse rapidement pour former de l'acide chlorhydrique
(HCl) et de l'acide hypochloreux (HOC1) , ce dernier se dissoçiant en partie pour donner des ions d'hydrogène et des ions <EMI ID=2.1>
Ces trois formes disponibles de chlore , à savoir le chlore moléculaire (Cl2) , l'acide hypochloreux non ionisé
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équilibre . les proportions relatives de chacune de ces formes étant déterminée par la valeur du, pH et la température de l'eau.
Ces formes de chlore "libre" réagissent relativement rapidement avec divers types de constituants d'eaux usées , notamment certains composés d'azote et certains composés hydrocarburés.
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"libre" sont généralement plus puissantes que les formes supposant un chlore "combiné" , qui sont produites par réaction avec des composés présents dans l'eau usée à traiter. On -sait également que le chlore moléculaire dissous est un agent désinfectant très puissant mais il n'existe pas en quantité appréciable sous les conditions d'équilibre au pH de la plupart des eaux usées.
Le pH doit être réduit jusqu'à une valeur relativement basse
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des concentrations importantes. Un traitement à faible pH de circulations importantes d'eaux usées est, d'une façon générale, extrêmement coûteux , en particulier s'il faut également prévoir un traitement ultérieur de neutralisation.
Deux des paramètres les plus importants de conception et de fonctionnement pour ce qui concerne les systèmes traditionnels de désinfection à grande échelle sont la dose ou concentration de chlore, et la durée de contact ou de rétention,
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traité par le chlore est retenu dans un réservoir de contact avec le chlore. La détermination de la dose ou concentration de chlore suppose la mise en balance de divers facteurs , tels qu'une vitesse accrue de destruction ou une durée de contact diminuée résultant d'une dose élevée de chlore, en opposition
à des frais de désinfectant plus élevés. Le caractère indésirable des quantités plus grandes de chlore résiduaire et de divers sous-produits de chloration résultant d'un traitement avec des doses plus élevées de chlore, constitue également un facteur extrêmement important à prendre en considération . Sous ce rapport , le chlore résiduaire et les sous-produits de chloration tels que des amines chlorées et des hydrocarbures chlorés ,
ee sont avérés de moins en moins désirables en ce qui concerne l'impact sur l'environnement.
En tenant compte de facteurs tels que le coût initial , les exigences en espace et les exigences en durée
de rétention et en dose de chlore , on prévoit généralement , pour assurer le caractère optimum de la conception actuelle supposant un réservoir de contact avec le chlore , un parcours en serpentin à canaux multiples, par lequel l'effluent passe avec une durée de rétention d'environ 15 à environ 30 minutes.
La désinfection est réalisée en introduisant une solution aqueuse de chlore à l'entrée par laquelle l'effluent pénètre dans le réservoir de contact avec le chlore.
A la suite de recherches relativement récentes , il doit être entendu qu'en ce qui concerne la désinfection d'un
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réservoir traditionnel de contact avec le chlore, augmente la vitesse de destruction des bactéries et des virus se trouvant dans l'effluent. On peut se reporter à cet effet aux,documents:
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Kruse, V.P. Olivieri � K.Kawata, "Water and Sewage Works". pages 187-193 (Juin, 1971) et "Kinetics of Waste water Chlorination in Continuous Flow Processes" par R.E.Selleck, H.F. Collins et G.White, document présenté au "International Water
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ces documents se rapportent à des recherches relativement récentes en ce qui concerne le mélange initial ou "éclair" dont
il est question ci-dessus. Les recherches qui sont peut-être les plus récentes et les plus complètes concernant la technique de la désinfection par chloration ont fait l'objet d'un article intitulé "Improvement in Terminal Disinfection of Sevage Effluents publié en juin 1973, publication.de Matera Sewage Works, relative à un travail réalisé à la "Sewage Treatment Plant N[deg.] 2", Fort Meade , Maryland, en 1972, par MM. C.W.Kruse, K.Kawata, V.P.Olivieri et K.E.Longley du "Department of Environmental' Health", John Hopkins School of Hygiene and Public Health, Baltimore, Maryland. L'essentiel des conclusions tirées par
les auteurs de l'article précédent est qu'une désinfection
peut être améliorée en améliorant le mélange des eaux usées
ou matières de rebut avec le chlore aqueux , et en abaissant
le pH de la réaction avec le chlore.
Les recherches qui ont abouti à la présente inven-
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of Environmental Health", John Hopkins School of Hygiène and Public Health, et à la "Fort Meade Sewage Treatment Plant N[deg.] 2". La sphère initiale d'investigations a impliqué le traitement d'un effluent par des mélangeurs du type à simple ajutage éjecteur , utilisant les principes du venturi et dans lesquels un désinfectant de chlore aqueux a été utilisé comme fluide moteur.
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avec des eaux usées et avec des préparatiors synthétiques d'effluent , comportant des bactéries et des virus , n'a pas apporté une amélioration importante par rapport aux résultats des travaux rapportés par Kruse et consorts. Cependant, on a déterminé durant ces investigations initiales que des quantités importantes d'une circulation de courant moteur seraient nécessaires pour assurer un effet de mélange désiré , et que le débit de solution aqueuse de chlore nécessaire pour assurer cet effet dépassait sensiblement le débit pouvant donner un niveau acceptable
de dose de chlore. De plus, alors qu'une quantité importante de solution diluée de désinfectant pouvait être utilisée , ceci augmentait l'exigence en eau de dilution et augmentait aussi,
de façon correspondante , la circulation finale d'eaux usées.
On a également déterminé que l'utilisation d'une zone de circulation turbulente , à travers laquelle passe la totalité de l'effluent à traiter pourrait améliorer la désinfection en assurant un mélange plus important et plus poussé du chlore aqueux et de l'effluent. En outre, durant ces investigations , il
a été décidé d'étudier l'introduction directe de chlore gazeux
et d'ozone , plutôt que d'une solution aqueuse de chlore, dans
une zone turbulente de mélange d'effluent . Ensuite, on a recherché des systèmes et des méthodes plus complexes de mélange
1
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de liquide moteur , et le désinfectant de chlore aqueux a été introduit de manière circonférentielle tout autour du jet de liquide moteur. En ce qui concerne la construction proprement . dite , deux ajutages concentriques se déchargeaient dans une chambre de mélange , l'ajutage interne déchargeant un jet à vitesse relativement élevée d'effluent de liquide résiduaire , tandis que le second ajutage ou ajutage enveloppant déchargeait un jet de chlore aqueux.
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possibilité d'un contrôle indépendant de l'effet de mélange
et de la quantité de solution de désinfectant , et on a également recherché et examiné des méthodes de désinfection utilisant
une zone turbulente de mélange et une introduction directe de chlore gazeux ou d'ozone dans l'effluent . Les méthodes et appareils développés et perfectionnés au cours des travaux présentaient , d'après ce que l'on a trouvé des avantages importants dans la désinfection d'eaux usées , en ce qui concerne la durée de la désinfection , la dose du désinfectant et la destruction des bactéries et virus pour une dose donnée de désinfectant. En outre, la grande chambre de contact coûteuse de la plupart des systèmes de désinfection par le chlore actuellement existants peut être réduite en dimensions ou même élimi-
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contact de désinfection par chloration peut être sensiblement améliorée sans modifications majeures.
La technique actuelle de désinfection par chloration est , d'une façon générale capable d'assurer des résultats favorables en ce qui concerne la "destruction " des germes , ainsi que divers autres avantages qui peuvent être assurés par l'utilisation du chlore. Néanmoins , des perfectionnements seraient très désirables en ce qui concerne divers aspects de la désinfection des eaux usées , par exemple la durée et le coût impliqués pour assurer une désinfection satisfaisante, le caractère complet de la désinfection , la quantité de chlore nécessaire pour assurer une désinfection satisfaisante , et
les quantités de chlore résiduaire: et des sous-produits de chloration qui résultent du procédé de chloration.
Un but de la présente invention est en conséquence de prévoir un procédé et un appareil améliorés pour la désinfection de liquides résiduaires , tels que l'effluent final d'un système de traitement d'eaux usées ou matières de rebut.
Un autre but est de prévoir un procédé et un appareil qui soient capables de permettre la prévision de courtes durées de désinfection , d'assurer le caractère complet d'une telle désinfection , de permettre l'utilisation d'une faible dose de désinfectant , et de ne supposer que de faibles taux de chlore résiduaire et de sous-produits de chloration .
Ces buts et d'autres encore de l'invention appa- <EMI ID=16.1>
donnée avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue en plan, partiellement schématique d'un système de désinfection de la technique antérieure. La figure 2 est une vue en coupe d'une forme de réalisation d'un système de désinfection construit suivant la présente invention. La figure 3 est une vue en coupe d'une forme de réalisation d'un mélangeur hydrodynamique à deux ajutages pour le traitement d'un effluent par une solution aqueuse de chlore. La figure 4 est un graphique montrant les résultats de la séparation de bactéries coliformes à partir d'un effluent de rebut, en fonction de la dose de désinfectant . La figure 5 est un graphique donnant le pourcentag <EMI ID=17.1>
fonction de la dose de désinfectant.
La figure 6 est un graphique donnant le pourcentage de séparation de bactéries coliformes , en fonction du temps (17 mg/litre de chlore). La figure 7 est un graphique donnant le pourcentage de séparation de virus f2 , en fonction du temps (17 mg/litre de chlore) .
Les figures 8,9 et 10 sont des graphiques présentant des résultats de désinfection obtenus au cours du fonctionnement d'une installation existante de désinfection par chloration , installation qui a été modifiée suivant les principes
de la présente invention.
Les figurell est une vue en plan partiellement schématique de l'installation de désinfection , de laquelle on a obtenu les résultats présentés par les figures 8,9 et 10.
La figure 12 est une vue en coupe agrandie de la <EMI ID=18.1>
procédés et à des appareils pour désinfecter de façon rapide et uniforme des liquides résiduaires aqueux, tels que des eaux usées partiellement traitées., par l'utilisation d'un désinfectant fluide . Des désinfectants appropriés peuvent être des gaz
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du dioxyde de chlore , et des solutions aqueuses de chlore
de brome et d'iode. Les solutions aqueuses de chlore, le chlore gazeux et l'ozone sont les désinfectants préférés , et on préfère tout particulièrement les formes de réalisation de
la présente invention qui utilisent le chlore sous forme gazeuse.
D'une manière générale , suivant la présente invention, le fluide désinfectant et l'effluent à traiter sont amenés à passer de façon continue à travers une zone turbulente initiale de mélange , où les gradients de concentration de désinfectant sont rapidement réduits dans les limites d'une période de temps limitée , et l'effluent mélangé par voie de turbulence est emmené de la zone turbulente de mélange pour constituer un courant de décharge d'affluent traité , tout en excluant , de ce courant de décharge, l'effluent qui n'a pas traversé la zone turbulente de mélange. En outre, suivant la présente invention, au moins un taux minimum de dissipation d'énergie est maintenu dans la zone turbulente de mélange durant le procédé de désinfection , et au moins une quantité minimum d'énergie est dépensée par débit unitaire de l'effluent traité.
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à traiter sont amenés à traverser une zone turbulente de mé-
i
lange , dans laquelle les gradients de concentration de désinfectant sont rapidement réduits pour donner un courant de produit essentiellement homogène au cours d'une période limitée de temps. Sous ce rapport , et bien qu'il soit possible de procéder à un mélange sur des périodes plus longues (surmélange) , le taux de dissipation d'énergie devrait être suffisant pour permettre d'atteindre le niveau désiré d'hétérogénéité en 1,5 seconde environ. Pour les besoins de la présente
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désinfectant dans la zone turbulente de mélange est définie de la façon suivante :
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où V est le volume de la zone turbulente de mélange et Q est le débit volumétrique du courant de décharge traité .
Sous les conditions ordinaires de fonctionnement,
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moins.
Comme mentionné également, au moins un taux minimum de dissipation d'énergie est entretenu dans la zone turbulente de mélange durant le développement du procédé. Sous ce rapport , un taux minimum de dissipation d'énergie devrait être entretenu pour que la zone turbulente de mélange ait un
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par "taux de cisaillement" ) d'au moins environ 10 secondes <1> , bien que, pour certains systèmes plus grands de mélange, ayant une capacité de débit de plus d'environ 756 litres par minute, le taux de mélange devrait être d'au moins environ 5 secondes' . Suivant les principes de la dynamique des fluides , le taux
de mélange ^ -1 est directement proportionnel au taux spécifique de dissipation d'énergie de turbulence E de la zone turbulente <EMI ID=26.1>
scalaire de la structure de turbulence de la zone turbulente de mélange , et ce de la façon suivante :
<EMI ID=27.1>
où k est une constante qui est de 0,489 dans le système cgs de mesure .
L'hétérogénéité I peut être défini comme étant la valeur moyenne de la racine carrée des fluctuations de concentration locale de désinfectant , a , divisée par la concen-
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drodynamique , le taux de mélange et la durée de séjour peuvent aussi être utilisés pour caractériser l'hétérogénéité du courant de produit par rapport aux gradients de concentration de désinfectant dans le courant de produit existant dans la zone initiale de mélange. Dans le cas de la présente invention, on croit que les gradients de concentration de désinfectant sont réduits à une valeur de concentration presque uniforme au cours d'une très courte période de séjour pour donner une ambiance toxique de façon uniforme pour l'inactivation d'organismes , avant une perte importante du désinfectant de manière active ou puissante.
En liaison avec des désinfectants , tels que le chlore, on croit que l'hétérogénéité du produit est réduiteae façon suffisamment rapide pour que les formes ou espèces les plus puissantes de désinfectant soient disponibles dans la totalité du champ turbulent , en étant dispersées de manière homogène au point qu'elles ont une disponibilité statistique élevée en vue d'une interaction avec des organismes dans le champ turbulent sur une certaine période de temps avant un changement dans la forme
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à une réaction avec de l'eau ou à une réaction avec d'autres produits chimiques ou impuretés non biologiques.
D'un point de vue pratique , on a déterminé qu'une désinfection fortement améliorée se développe avec des taux de
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de mélange correspondantes de 1,5 seconde ou moins. Bien que des mesures n'aient pas été faites , on estime que , sous ces conditions , l'hétérogénéité du produit est réduite à 0,1 ou moins.
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la durée de séjour et du taux de mélange et qui caractérise l'hétérogénité du courant de produit . Des nombres de mélange d'environ 1,5 à 15 ou plus devraient être appliqués pour atteindre les résultats supérieurs de désinfection.
En outre, pour un système de circulation avec mélange en continu, l'exigence d'énergie spécifique [pound] (l'énergie dissipée par débit unitaire de courant de produit ou le travail réalisé dans le mélange du courant de produit devrait être d'au moins environ 0,2 HP pour 37.800 Hl d'effluent traité par jour. Pour un taux donné de mélange , l'exigence d'énergie spécifique augmentera avec une augmentation de la valeur
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La puissance de-mélange dissipée dans un liquide est finalement dissipée de manière visqueuse en chaleur. Elle peut être dissipée en passant par des gradients moyens de vitesse
(de façon semblable à la dissipation de puissance se réalisant dans une circulation laminaire ) et dans la zone turbulente en passant par des gradients de fluctuation de vitesse . Il est par conséquent intéressant de différencier la quantité totale de puissance dissipée par unité de masse de liquide et la partie dissipée par unité de masse de liquide via la voie des fluctuations de vitesse turbulente. Pour les besoins de la présente invention, la première valeur est définie comme étant le taux spécifique de dissipation d'énergie totale [pound] . ,' tandis que' la seconde valeur est définie comme étant le taux spécifique de dissipation d'énergie turbulente �.
Le taux spécifique de. dissipation d'énergie totale ET est défini par:
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où P est la puissance globale perdue vers le fluide , p est la densité du fluide et V est le volume de ce fluide.
Le taux spécifique de dissipation d'énergie turbulente est définie par :
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Suivant les formes de réalisation préférées du procédé, on utilise un système de mélange du type à éjecteur , dans lequel la zone de mélange turbulente est créée par introduction d'un courant moteur d'une petite partie du liquide résiduaire à traiter , dans une zone d'induction qui est alimentée par la partie principale du liquide résiduaire à traiter. Le courant moteur est créé en introduisant de force le liquide résiduaire à travers un ajutage approprié ou un autre orifice voulu. L'introduction du courant moteur dans la zone d'induetion a pour résultat l'entraînement de liquide résiduaire depuis la zone dans ce courant, et la formation d'un champ de circulation turbulente . La zone turbulente de mélange ainsi produite a un volume croissant et une section transversale croissante dans la direction du déplacement à l'intérieur de la zone d'induction.
Le désinfectant est introduit , de la meilleure manière , dans la zone turbulente de mélange avec le courant moteur , au fur et à mesure que ce dernier est introduit dans
la zone d'induction. Ensuite, au moins une partie du liquide résiduaire est emmenée de la zone turbulente de mélange pour constituer un courant de décharge , tout en excluant de celui-ci le liquide résiduaire qui n'a pas fait partie du courant initial
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en sorte que pratiquement la totalité du liquide résiduaire
du courant de décharge provient de la zone turbulente de mélange.
La figure 2 illustre un appareil pour la mise en oeuvre de diverses formes de réalisation préférées de la présente invention , et une description complémentaire des méthodes préférées sera faite en se référant à l'appareil illustré.
Comme montré par la figure 2, on prévoit un conduit de circulation 15 comportant une pièce d'entrée cylindrique 16 ayant
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drique de mélange 18 , d'un diamètre D , et une portion terminale divergente 17b. Un ensemble à deux ajutages 19 est localisé dans la pièce d'entrée 16, le long de l'axe de symétrie longitudinal de celle-ci . L'ensemble à ajutages 19 comprend un ajutage pour liquide 21a , ayant un diamètre interne d,
et un ajutage 21b, enveloppant le premier de façon concentrique et localisé à l'extrémité de décharge de ce premier ajutage
21a, cet ajutage 21b ayant un diamètre de son orifice de décharge interne, qui est légèrement supérieur à d. Un conduit d'amenée 20 alimente l'ajutage 21a, et celui-ci et le conduit pour gaz désinfectant 22 alimentent l'ajutage 21b. Dans des systèmes de mélange qui ont été mis en fonctionnement avec succès, le diamètre d'orifice d de l'ajutage 21b a été mis
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de manière que le rapport Dp/d se situe dans l'intervalle d'environ 2,5/1 à environ 13/1 (avec un intervalle correspondant des rapports des aires d'environ 6,25/1 à environ
169/1). On préfère que la gamme des rapporta des aires soit d'environ 25/1 à environ 169/1 (avec un rapport correspondant des diamètres de 5/1 à 13/1), ce qui est plus élevé que ce que l'on utilise généralement dans des systèmes de mélange du type à électeur . Pour des raisons qui apparaîtront au cours de la description de la formation de la zone turbulente de mélange contre les parois du conduit de mélange 18 ou du
col convergent 17a , l'extrémité de décharge de l'ajutage
21b est espacé dans le sens longitudinal , par rapport à l'extrémité la plus proche du conduit de mélange 18 , d'une distance qui est également en rapport avec les diamètres de l'ajutage 21b et du conduit de mélange 18. Sous ce rapport , l'ajutage 21b devrait être espacé axialement d'une distance d'environ 1 à environ deux fois D , par rapport à l'extrémité la plus proche du conduit de mélange 18, et de préférence d'une distance d'environ 1,5 D . De même, la longueur du conduit de mélange devrait être d'environ 2 à environ 5 fois son diamètre , de préférence d'environ 3 fois son diamètre.
En fonctionnement, une petite portion de l'effluent à traiter est pompée à travers le conduit d'alimentation 20
et chassée par l'ajutage 2la pour former un jet du liquide résiduaire , qui passe ensuite par l'ajutage 21b. En passant par l'ensemble à ajutages 19, un désinfectant , tel que du chlore gazeux, est introduit dans le jet sortant de la chambre à ajutages et la quantité du désinfectant ainsi introduit peut être contrôlée séparément de la quantité du liquide résiduaire traversant la chambre à ajutages . A titre d'exemple , pour une chloration gazeuse réalisée sous vide , le gaz désinfectant peut être déchargé dans le jet de liquide résiduaire
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l'on puisse utiliser une décharge à un vide plus faible ,
et que l'on puisse aussi employer des systèmes sous pression.
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forment un courant moteur sortant de l'ajutage 21b dans la <EMI ID=42.1>
rant moteur , de l'ordre d'environ 518 à environ 2.500 cm par seconde sont efficaces , et généralement le courant moteur devrait avoir une vitesse d'au moins environ 518 cm par seconde.
L'ajutage 21b décharge en conséquence à la fois du chlore gazeux et un fluide moteur sous la forme d'un jet à vitesse relativement élevée , dans l'effluent environnant à l'intérieur de la chambre turbulente de mélange, en produisant ainsi un champ turbulent et un mélange pratiquement instantané du gaz désinfectant avec l'effluent , au fur et à mesure que le gaz passe dans la solution .
Le mélange d'effluent et de désinfectant , formant le jet à vitesse relativement élevée et qui est introduit dans la chambre turbulente d'induction, crée un champ très turbulent, de forme conique , désigné par les lignes en trait interrompu portant le numéro de référence 23 , ce champ assurant un mélange total (c'est-à-dire une réduction rapide des gradients de concer tration du désinfectant ) du jet de fluide moteur , du désinfectant et de l'effluent environnant . A son extrémité développée, la zone turbulente de mélange intercepte la paroi du conduit 15 pour former un joint fluide turbulent continu, qui agit pour empêcher l'effluent qui n'a pas traversé la
zone turbulente de mélange , de pénétrer dans le courant de décharge qui est emmené à travers le conduit cylindrique de mélange 18.
Comme l'appareil de la figure 2 est symétrique tout autour de son axe de symétrie longitudinal (sauf en
ce qui concerne le conduit d'entrée de désinfectant 22 ),
la zone turbulente de mélange, que l'on désigne ci-après
par "cône de mélange" , est également symétrique depuis
son sommet se situant à l'extrémité de décharge de l'ajutage <EMI ID=43.1> ou à la pointe du cône de mélange variera suivant des considérations en rapport avec la vitesse relative de l'effluent dans la chambre de mélange mais, pour un effluent calme, cet.angle in-
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tité du liquide résiduaire à traiter est chassée par le conduit
21b pour former un courant moteur, , tandis que la partie principal Q2 du liquide résiduaire à traiter est alimentée à la zone d'induction , où elle est entraînée dans le cône de mélange turbulent On a utilisé avec succès des rapports M, entre le débit volume-
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variera de préférence entre environ 5/1 et environ 15/1.
La durée moyenne de séjour 0 pour un appareil du type illustré par la figure 2 peut être facilement déterminée en partant du volume du cône de mélange turbulent. On peut considère d'une façon générale , que l'effluent et le désinfectant sont mélangés dans des limites acceptables de gradient de concentration de désinfectant , lorsqu'ils atteignent un point voisin de la base du cône de mélange, à l'endroit de son intersection avec le conduit 15. Le volume V du cône de mélange ainsi défini peut être calculé de la façon suivante :
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où D est le diamètre du conduit d'interception à l'endroit de l'intersection avec le cône de mélange , R est le rapport entre l'aire de l'orifice du jet initial et l'aire transversale du conduit d'interception à l'endroit de l'intersection , et a est l'angle inclus du cône de mélange.
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La durée de séjour pour l'appareil de la figure
2 peut être calculée de la façon suivante, en partant des équations (1) et (3) pour des conditions dans lesquelles la totalité du fluide qui traverse le cône de mélange est menée directement a courant de décharge :
<EMI ID=50.1>
où M est le rapport Q2/Q1 '
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<EMI ID=52.1>
être rendue comme suit:
<EMI ID=53.1>
On verra également de ces relations que l'on peut obtenir un rapport volumétrique M désiré entre l'effluent entrai
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de facteurs à la fois en ce qui concerne la conception physique et le fonctionnement de l'appareil. Il devrait également être noté que le volume du cône de mélange turbulent utilisé dans les formes de réalisation préférées est limité à une valeur non supérieur à environ 1,5 fois le volume de circulation par seconde du courant de décharge partant du cône de mélange turbulent. Pou des systèmes de mélange du type à éjecteur , le procédé et l'appareil de la présente invention peuvent être caractérisés par des gammes déterminées de rapports d'aires R, de vitesse
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demment.
Cependant, suivant le présent procédé , le taux de dissipation d'énergie devrait d'une façon générale être suf-
<EMI ID=56.1> 5 . Sous ce rapport, le taux spécifique de dissipation d'énergie turbulente [pound] est d'une façon générale proportionnel à l'admission de puissance P au courant moteur , et ce de la façon suivante:
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densité du fluide qui , pour un effluent de rebut aqueux,est très proche de celle de l'eau. Le facteur f représente la fraction de la puissance primaire dissipée dans la zone de mélange.
Comme les gradients de vitesse favorisant une résistance pelliculaire sont minima dans ce système, [pound] est très proche de ET et � est très proche de 1. Ceci se situe à l'encontre d'un mélangeur à conduit , où [pound] peut n'être que de 10 à 15% de �T.
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un appareil du type illustré par la figure 2 peut également être exprimé en fonction de l'angle inclus a du cône de mélange , du rapport d'aires transversales R, de la vitesse du courant moteur ul et du diamètre D de la base du cône de mélange à son
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La valeur Ls scalaire à l'échelle macroscopique pour un système tel qu'illustré par la figure 2 peut être considérée comme se rapprochant d'environ 0,131 D pour les besoins de calcul d'une conception d'installation , et en combinant les
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pour un tel système peut être exprimé de la façon suivante:
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La désinfection d'un effluent de rebut par un désinfectant de chlore gazeux suivant la présente invention est capable d'assurer de façon constante et sure des taux de destruction des bactéries se situant bien au-dessus de 99,9%,
ce que l'on peut mesurer par les taux de séparation des coliformes dans les matières fécales et de destruction des virus , se situant bien au-dessus de 99% - comme mesuré pour la séparation
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des ) . Des résultats de ce genre avec du chlore gazeux peuvent
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dissous se mélange avec la totalité de l'effluent de rebut , . par rapport à la vitesse à laquelle du chlore aqueux amorce indésirables des réactions secondaires/avec les composants d'un effiuent , par exemple les diverses matières à base d'azote.
Il est également à nota* que l'on peut s'attendre à ce que le chlore gazeux passe très rapidement en solution et que la valeur de pH de l'effluent de rebut se situe généralement
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(par opposition à des ions hypochlorite . ) présent à l'équilibre sous les conditions ordinaires. Sous ce rapport , il peut se faire aussi que l'introduction de chlore gazeux dans la zone turbulente de l'effluent sous la forme de fines bulles fortement dispersées ait pour résultat le transfert en solution et
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assurer l'exposition de l'effluent dans la zone turbulente,
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Que les explications précédentes soient correctes ou non , le fait reste qu'un traitement de l'effluent de rebut avec du chlore sous les conditions d'un mélange hydrodynamique, existant suivant la présente invention , assure un rendement
de désinfection nettement amélioré et réduit le temps nécessaire pour atteindre une réduction donnée quelconque des bactéries et des virus. Néanmoins, on croit qu'il est important d'exclure le liquide résiduaire,qui n'a pas passé par la zone turbulente initiale de mélange , du courant de décharge
du système. En conséquence , seul le liquide résiduaire qui est mélangé à fond avec le désinfectant dans les limites d�.une période de temps limitée d'introduction du désinfectant est déchargé par la sortie du système, ce qui réduit ainsi au minimum les effets nuisibles de réactions secondaires indésirables et ce qui rend par contre maximum l'efficacité du système. Suivant les formes de réalisation décrites en liaison avec l'appareil de la figure 2, le cône de mélange s'étalant de manière turbulente recoupe les limites du conduit 15 pour former un joint turbulent continu qui empêche le liquide résiduaire qui ne fait pas partie du cône de mélange , de passer au-delà de ce joint turbulent.
Sous ce rapport, les effets turbulents de l'intersection du cône de mélange sont suffisante pour rompre toute zone quelconque importante de circulation laminaire , voisine de la paroi du conduit 15, dans cette région de joint turbulent. Pour le développement et l'entretien d'un tel joint turbulent , la géométrie du système et l'admission de puissance au courant moteur devraient être telles qu'une énergie turbulente suffisante reste dans le cône de mélange turbulent au moment où il atteint son point d'intersection avec la paroi du conduit du courant de décharge .poux qu'un tel joint puisse être réalisé . En fonctionnement , une caractéristique avantageuse du procédé est qu'un débit volumétrique constant du courant moteur peut
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lisation ci-' une pompe à volume constant ) , tandis que la vitesse du liquide résiduaire introduit dans la zone de mélange et le débit de décharge volumétrique peuvent varier sur une gamme importante suivant des variations dans l'alimentation du liquide résiduaire à la chambre d'induction. La géométrie du système , notamment la mise en place de l'ajutage 21b , peut être telle que l'intersection du cône de mélange arec le conduit
15 sera localisée aux environs de l'extrémité la plus proche du conduit de mélange 18 pour des vitesses intermédiaires de circulation de traitement d'effluent . Avec la même vitesse de circulation motrice et des vitesses totales plus petites de traitement , le joint d'intersection du cône de mélange peut se présenter le long de la surface de la portion 17a en forme de col
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élevées de traitement , le conduit de mélange 18 assure l'entretien d'un joint à l'intersection du cône de mélange , en des endroits se situant en aval du col convergent du conduit. Si l'ajutage est mal placé par rapport à la limite de surface devant normalement être recoupée par le cône de mélange, ou bien si l'admission de puissance au courant moteur d'effluent est insuffisante pour assurer une intersection suffisamment énergiqu un joint approprié ne sera pas créé et de l'effluent , comportar des taux élevés de résidus biologiques.peut pénétrer dans le conduit de mélange et dans le courant de décharge du système. En outre, sous ce dernier rapport , suivant les principes de
la dynamique des fluides , il est désirable, du point de vue
du mélange , de faire fonctionner le système de telle sorte
que l'intensité de turbulence � et la fraction de puissance
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totale de puissance est prête à être ou est dissipée de façon turbulente. Pour réaliser ceci, le système peut être mis en fonctionnement avec peu ou pas de récupération de pression vers le courant de décharge en provenance du courant moteur
(c'est-à-dire que la pression de décharge devrait être approximativement égale à la pression du système de mélange ) car cette récupération de pression est une mesure de (l-F)B.
Dans l'établissement et l'entretien d'un joint étanche efficace , il est désirable que la zone limite qui est recoupée par le cône de mélange ait une configuration qui réduira au minimum la formation d'une couche limite laminaire d'effluent éventuellement non désinfecté au voisinage de la surface . On abreuvé que, même avec des zones limites très uniformes , telles qu'on en trouve dans des conduits en polyest à renforcement par fibres de verre , on peut obtenir d'exceller résultats lorsqu'on opère suivant les conditions précédentes.
Cependant, la formation d'un joint efficace et une rupture d'ur circulation laminaire quelconque peuvent être améliorées par des saillies ou dépressions superficielles à l'endroit de la zone superficielle recoupée par le cône de mélange , notamment par une série d'anneaux en saillie qui rompent la circulation au voisinage de la surface. On comprendra évidemment que, lorsqu'un champ turbulent se rapproche d'une zone limite déterminée quelconque , on s'écarte de l'isotropie et l'intensi de turbulence diminue. Toutefois, on croit que, pour un joint efficace, l'intensité de turbulence devrait être d'environ 0,1
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terminée .
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qui est particulièrement adapté au traitement de liquides usés ou d'effluents de rebut avec des solutions aqueuses de chlore . Le dispositif illustré comprend un ajutage interne 25 qui est coaxial à un ajutage externe 26. Ce dernier est monté en se vissant dans un logement 27 dans lequel sont formés une partie formant col 28, d'allure conique , et un conduit tubulaire de
<EMI ID=74.1> dans l'ajutage interne 25 par une admission 30 , tandis qu'une solution aqueuse de chlore est alimentée à l'ajutage externe
26 par un conduit 31. Le liquide de rebut secondaire est alimenté à une zone d'induction par une entrée 32 dont l'axe de symétrie est perpendiculaire à celui des ajutages 25 et 26.
Lorsque le fluide moteur de rebut primaire est chassé par l'ajutage interne 25 sous une pression importante , il entre en contact à une vitesse élevée avec la solution aqueuse de chlore alimentée à l'ajutage 26 et entraîne cette
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La vitesse de circulation de la solution aqueuse de chlore peut être contrôlée indépendamment de la vitesse de circulation de l'effluent moteur et elle sera relativement petite par rapport à cette vitesse de circulation de l'effluent moteur et par rapport à la vitesse totale de traitement d'effluent.Par exemple, une solution aqueuse de chlore . pour un traitement de liquides de rebut par un désinfectant , peut traditionnellement comporter des concentrations d'environ 300 mg/litre à environ 3.000'mg/litre et, à une dose typique de traitement d'environ 2 mg/litre, la vitesse de circulation du désinfectant de chlore aqueux sera d'environ 2,65 à environ 26,5 litres par minute pour un système ayant une vitesse de circulation d'effluent moteur de l'ordre de 453 litres par minute et une vitesse totale de traitement d'effluent de l'ordre de 3.780 litres par minute.
Le courant moteur de chlore aqueux et d'effluent primaire sort de l'ajutage
26 pour entrer dans la zone d'induction turbulente où du liquide résiduaire supplémentaire est introduit dans le jet pour former un cône de mélange très turbulent 26a, s'étalant de façon continue , qui recoupe l'extrémité proche du conduit de mélange
29. L'effluent qui n'a pas été soumis à un passage à travers le-cône de mélange est exclu du courant: de produit qui circule à travers le conduit de mélange 29 et est déchargé à l'extrémité éloignée de celui-ci. Bien que l'utilisation d'une solution aqueuse de chlore soit moins efficace que l'emploi de chlore gazeux sous les mêmes conditions de fonctionnement , le système de mélange illustré par la figure 3 apporte néanmoins des avantages importants comparativement à des systèmes traditionnels de désinfection , qui utilisent une solution aqueuse de chlore à titre d'agent de traitement. Lorsqu'on utilise un désinfectant de chlore aqueux, il est préférable que le désinfectant ait un pH de moins d'environ 5 et plus particulièrement d'environ 3 ou moins encore.
Bien que l'acidité de la solution de désinfectant ait peu d'effet sur le pH de l'effluent traité, elle déplacera l'équilibre des espèces désinfectantes
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Lors d'un mélange rapide, on estime que certains des avantages de cette concentration accrue d'espèces mortelles seront obtenus avant que des conditions d'équilibre ne soient atteintes pour le pH plus élevé du courant de produit mélangé.
On a obtenu une somme importante de résultats expérimentaux au cours d'essais menés sur un effluent secondaire provenant d'une installation de traitement biologique employant un mélangeur d'essai que l'on a alimenté alternativement par du chlore gazeux (G) et par du chlore aqueux (A) . La gamme satisfaisante de variables d'étude pour ces essais se présentait comme suit:
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On a noté une différence très nette dans la vitesse de désinfection , la destruction totale, et la quantité
de chlore nécessaire. Lesfigures 4 et 5 montrent le pourcentage de séparation du total des bactéries ooliformes et des vi-rus f2 . en fonction de la dose de désinfectant. La figure 4
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des bactéries coliformes avec une dose de 4 mg seulement de chlore gazeux par litre , tandis qu'une dose dépassant 16 mg par litre est nécessaire pour assurer la même destruction avec la solution aqueuse. La réduction de la quantité'totale de chlore nécessaire , lorsqu'on utilise le chlore gazeux suivant la présente invention pour atteindre une séparation pratiquement totale des bactéries coliformes à partir d'une eau usée ou matière de rebuta représente une économie importante de matière . Ceci s'accompagne de la production d'un liquide
de décharge qui a une teneur plus basse de chlore (chlore résiduaire ) que celui que l'on obtient couramment , et
par conséquent le liquide de décharge est moins toxique pour la faune aquatique.
La séparation du virus f2, telle que présentée par la figure 5, est encore plus significative. Il est un fait bien connu que les systèmes de désinfection par le chlore utilisés antérieurement étaient assez inefficaces dans la destruction des virus. Une légère réduction seulement des virus était habituellement obtenue par passage dans une chambre de contact avec le chlore. Les séparations obtenues avec le chlore aqueux et avec le chlore gazeux , telles que présentées par la figure 5, sont supérieures à celles obtenues dans les systèmes de désinfection par le chlore actuellement disponibles.
Les conditions améliorées de mélange suivant la présente invention amènent,la séparation des virus par le chlore à être égale ou meilleure que celle obtenue avec des procédés traditionnels de traitement à l'ozone, qui est un agent connu pour son pouvoir de destruction des virus. Evidemment, les propriétés de destruction des virus de l'ozone peuvent à leur tour être utilisées par le procédé de la présente invention , en employant de l'ozone sous forme d'un liquide désinfectant.
Les figures 6 et 7 montrent la séparation des
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les méthodes classiques pour l'examen d'une eau normale ou d'une eau usée , et ce en fonction du temps , avec des taux de dosage de 17 mg par litre dans chaque cas. Comme on peut le voir sur les deux graphiques en question, la présente invention apporte un taux extrêmement élevé de destruction, en
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secondes ou moins encore (la destruction est réalisée aussi rapidement que l'essai peut être mené ).
En plus du rendement de désinfection de la présente invention, en ce qui concerne la destruction améliorée des bactéries et des virus , qui est évidemment importante du point de vue de la santé et aussi du point de vue écologique , l'invention apporte en outre un certain nombre d'avantages supplémentaires . En premier lieu , on peut utiliser la présente invention pour éliminer la nécessité de la chambre de contact qui est généralement utilisée dans les systèmes traditionnels
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La chambre 10 qui peut être constituée par une grande structure
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les 11 et 12 qui , en liaison avec les parois latérales verticales de la chambre , définissent un parcours tortueux de circulation pour l'effluent usé que l'on traite. Cet effluent est introduit dans la chambre de contact 10 par une admission
13a , et une solution aqueuse de chlore est introduite dans cette même chambre de contact par une seconde admission 14, proche de la première. Le mélange de chlore aqueux et d'effluent usé se déplace à l'intérieur de la chambre de contact en passant le long des chicanes 11 et 12 et il est finalement déchargé par une sortie d'effluent l3b.La durée de séjour de l'effluent dans des systèmes de ce genre se situe généralement entre 15 et 30 minutes.
Des chambres de contact supposent non seulement un capital d'investissement maisén outre l'utilisation d'une somme considérable de surface au sol qui , suivant les dimensions du système de chloration , son emplacement et l'utilisation pour laquelle le sol en question pourrait être utilisé
de manière plus profitable , peut constituer un facteur extrêmement important. De plus, la présente invention réduit effectivement les frais gbbaux impliqués dans la désinfection d'une quantité donnée d'effluent. Dans un système traditionnel de désinfection avec chambre de contact, le coût initial impliqué dans la construction de la chambre et la puissance nécessaire pour produire et pomper la solution aqueuse de chlore vers
la chambre de contact sont inhérents à un tel système.
La figure 11 présente une installation de désinfection avec chambre de contact , qui est semblable à celle illustrée par la figure 1. La forme de réalisation de la figure 11 illustre schématiquement la chambre de contact utilisée dans le traitement des eaux usées à boue activée réalisé dans la municipalité de Prophetstown , Illinois, Etats-Unis d'Amérique. Une différence entre la chambre de contact de la figure 11 et celle se situant à Prophetstown résidé dans le nombre de canaux envisagés. La chambre de contact de Prophetstown ne comprend qu'un seul canal , tandis que la chambre* de contact de la figure 11 en comprend 3 .
Du point de vue fonctionnel, cependant, les deux chambres sont identiques , la chambre de contact de la figure 11 n'ayant . été illustrée avec trois canaux que pour correspondre à la chambz de contact de la technique antérieure , représentée par la figure 1.
A l'origine , la chambre de contact de Prophetstown comprenait une entrée d'effluent telle que figurée en 13a sur la figure 1 , une sortie d'effluent telle que figurée en 13b et un conduit d'alimentation de désinfectant tel que figuré en 14a. Récemment, toutefois, cette chambre de contact a été modifiée pour se conformer à celle illustrée par la figure 11, qui,utilise les principes suivant la présente invention. Comme illustré par les figures 11 et
12, la chambre de contact désignée d'une manière générale par
le numéro de référence 110 comprend une entrée d'effluent
113a et une sortie d'effluent 113b. Un bassin 30 a été formé
à l'extrémité d'entrée de la chambre de contact 110 et on a ajouté une paroi de cloisonnement 31 pour délimiter en partie ce bassin 30.
Dans ce bassin 30, est monté un conduit 115 semblable au conduit 15 de la figure 2. Un ensemble à ajutages
119 est disposé en alignement axial avec le conduit 115, l'ajutage interne étant alimenté par de l'effluent sous pression grâce à une pompe submersible 32 par un conduit 33.
L'ajutage externe est alimenté en chore gazeux par un conduit d'alimentation 122. Une tige verticale 34 s'étend à travers un flasque formé dans le bassin 32 pour servir de guidage lors de la mise en place et de l'enlèvement de l'ensemble comprenant la pompe et les ajutages.
Une vanne de commande réglable 37 est montée dans le conduit d'alimentation de chlore gazeux 122 pour contrôler le débit de chlore gazeux vers l'ensemble à ajutages 119. En aval du conduit 115 (et de préférence près de la sortie d'effluent 113b) , est situé un dispositif détecteur ou une sonde 38, dont la fonction est de produire un signal qui varie suivant les variations dans le taux de chlore résiduaire existant dans l'effluent qui est déchargé de la chambre de contact 110.
Le détecteur 38 et la vanne de commande 37 sont reliés électriquement à l'intervention d'un dispositif d'analyse 39 de telle sorte que ce dernier peut être réglé pour commander le débit de chlore gazeux vers l'ensemble à ajutages
119 en vue d'assurer un taux choisi de chlore résiduaire dans l'effluent , lorsque celui-ci est déchargé de la chambre de contact 110.
En outre, le système de commande peut être utilisé pour envoyer un débit approprié d'agent de déchloration ,
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tout chlore résiduaire quelconque restant.
Des essais ont été menés dans la chambre de contact de Prophetstown , telle qu'elle existait avant sa modification (dans la forme essentiellement telle qu'illustrée par la figure 1) et en utilisant du chlore gazeux comme agent de désinfection , de la manière suivant laquelle cette chambre était utilisée antérieurement. Sous ce rapport , le chlore gazeux était simplement diffusé directement dans l'efflueit à l'extrémité d'entrée de la chambre de contact.
Des essais ont également été menés après la modification de cette chambre de contact suivant les principes de la présente invention . Les résultats de ces essais
sont présentés par les figures 8 ,9 et 10. Les figures 8 et 9 concernent la séparation de bactéries coliformes fécales , tandis que la figure 10 concerne la séparation des streptocoques fécaux . Les résultats donnés par les courbes A concernent l'installation avant sa modification (utilisation de chlore gazeux introduit à travers un système de diffusion à l'extrémité d'entrée du réservoir de contact ) , tandis que les courbes B concernent la chambre de contact Prophetstown après
la modification (utilisation de chlore gazeux) .
Les résultats présentés montrent l'amélioration importante d'efficacité résultant de l'utilisation de la présente invention. Non seulement les bactéries coliformes fécales ont été notablement réduites , ce qui se traduit par le pourcentage de séparation et par la séparation effective des bactéries , mais encore cette désinfection est réalisée avec
des doses réduites de chlore. La séparation des streptocoques fécaux était également nettement réduite grâce à la présente invention .
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taires relatifs à l'amélioration de l'installation de désinfection de Prophetstown grâce à l'utilisation de la présente invention.
1 <EMI ID=86.1>
Bactéries coliformes fécales
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Le Tableau II suivant donne des informations caractérisant l'effluent de rebut.
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"Avant" indique le nombre effectif de bactéries coliformes fécales par 100 ml d'effluent, lorsque l'effluent pénètre dans le système modifié de désinfection. La colonne intitulée "Après" indique le nombre effectif de bactéries coliformes fécales se trouvant dans l'effluent lors de la décharge du système modifié de désinfection. De la sorte, le Tableau I montre non seulement une réduction significative du nombre effectif des bactéries coliformes fécales par ml d'effluent lors de la décharge hors de la chambre de contact , mais il montre aussi une augmentation importante du pourcentage de destruction , alors que l'on utilise une dose réduite et que l'on réalise une réduction im-
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intulée "Dosage" , les spécialistes en ce domaine savent que le dosage impliqué dans des chambres traditionnelles de contact, utilisant du chlore aqueux, est typiquement compris entre
5 et 10 mg par litre et atteint souvent 15 à 20 mg par litre. La gamme des variables étudiées avec succès dans l'installation de traitement de Prophetstown se présentait comme suit:
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Exigence en énergie spécifique e 1,7 à 1,4 HP/37800Hl/jour Débit total 756 à 1890 à 1890 1/minute
Il doit être entendu que la présente invention envisage également l'utilisation de plus d'un conduit de cir-culation 115 et de plus d'un ensemble à ajutages 119 si le débit d'effluent est d'une amplitude suffisante . C'est ainsi que si on se réfère aux figures 11 et 12 , une série de conduits 115 et d'ensembles à ajutages 119 peuvent être disposés dans le bassin 30 pour correspondre à des systèmes plus importants ayant à traiter des débits plus élevés d'effluent.
La série des ajutages peuvent chacun être pourvu d'un système distinct de conduit 115 , ou bien plus d'un ajutage peut être dirigé vers un ensemble 115 , de telle sorte que les différents cônes de mélange de ces ajutages interceptent chacun une zone limite ou s'intercepte l'un l'autre pour former un joint étanche.
De plus, on peut utiliser des conduits et des ajutages d'une section transversale non circulaire et le fluide peut sortir
de la zone turbulente de mélange en plus d'un point.
Dans une plus grande installation traitant plusieurs millions de litre par jour , on a monté quatre unités, telles qu'illustrées par la. figure 11, en parallèle sur la paroi de cloisonnement dans une moitié d'un bassin de contact à deux parties . Les quatre ensembles à ajutages ont été alimentés
par une seule pompe. L'autre moitié du bassin a été laissée sans modification de manière à permettre une comparaison simultanée. Du chlore �azeux a été alimenté directement aux ajutages du système modifié , .de la façon décrite précédemment. Le système traditionnel de dissolution et de débit du gaz a
été laissé intact , de sorte que ce système traditionnel alimentait une solution aqueuse de chlore , comme en pratique habituelle.
Les résultats de désinfection sont présentés ciaprès.
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<EMI ID=95.1>
Diverses modifications pourraient encore être envisagées par les spécialistes en ce domaine et il est donc
bien évident que l'invention n'est nullement limitée aux détails donnés .
REVENDICATIONS
1. Procédé de désinfection d'un liquide résiduaire, dans lequel un désinfectant fluide et le liquide résiduaire à désinfecter sont amenés à passer de manière continue à travers une zone de mélange, caractérisé en ce que: on entretient un taux
de dissipation d'énergie turbulente , dans la zone turbulente
de mélange , de telle sorte que le taux de mélange dans cette
zone soit d'au moins environ 5 secondes 1 . on emmène le liquide résiduaire et le désinfectant mélangés de façon turbulente hors de cette zone de mélange pour former un courant de décharge traité , on maintient une eigence en énergie spécifique d'au
moins environ 0,2 HP pour 37.800 Hl par jour du courant de décharge , et on exclut , du courant de décharge, le liquide résiduaire qui n'a pas traversé la zone turbulente de mélange susdite.