FR2553400A1 - Dispositif separateur de phases pour reacteur biologique travaillant en milieu anaerobie - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION A TRAIT A UN MODULE DE TYPE LAMELLAIRE DESTINE A ETRE INSTALLE AU-DESSUS D'UN REACTEUR OU DIGESTEUR BIOLOGIQUE DE TYPE METHANISEUR. LE MODULE PERFECTIONNE COMPREND UN ENSEMBLE DE PAIRES 3 DE LAMELLES QUI FORMENT ENTRE ELLES UN ANGLE OUVERT OBTUS ET SONT ORIENTEES SELON UN ANGLE D'ENVIRON 60 DEGRES PAR RAPPORT A L'HORIZONTALE, DE FACON A OBTENIR UNE DOUBLE INCLINAISON. A L'EXTREMITE DE L'ARETE DE JONCTION DE DEUX LAMELLES SONT PREVUS DES TUBES 5 D'EVACUATION DE GAZ AVEC COLLECTE GENERALE DU GAZ 6 ALORS QUE DES GOULOTTES DE SURVERSE D'EAU SONT DISPOSEES AU-DESSUS DE L'ENSEMBLE LAMELLAIRE, AVEC REPRISE DE SORTIE D'EAU 8 A LA BASE DU MODULE. AVANTAGEUSEMENT, LA PREMIERE 3 ET LA DERNIERE 3 PAIRE DE LAMELLES SONT NETTEMENT PLUS HAUTES QUE LES AUTRES DE FACON A CREER DES ZONES OU LES FUITES DE GAZ ET DE MATIERE SEDIMENTAIRE SONT EVITEES. APPLICATION AU TRAITEMENT DE BIOMASSES LIBRES A FORTE CONCENTRATION DE POLLUTION DANS DES DIGESTEURS ANAEROBIES.

Description

La présente invention a trait au domaine du traitement des déchets et de matières polluées semi-solides ou liquides selon le procédé de fermentation anaérobie dans un réacteur clos (souvent appelé "méthaniseur"). Elle concerne plus spécialement un nouveau système de décanteur, adaptable au-dessus du méthaniseur et destiné à assurer une bonne séparation des trois phases : solide, liquide, gazeuse issues des réactions biologiques en milieu clos.

Dans tout système biologique, la finalité est de pouvoir maintenir une biomasse active et de la concentrer au maximum de façon à pouvoir traiter, du fait d'une forte concentration de population, une forte quantité de pollution par unité de volume de réacteur. Ceci aboutit à la diminution du volume des ouvrages et du temps de séjour hydraulique dans le système.

Dans les systèmes a biomasse libre traitant des effluents liquides, les microorganismes se présentent sous l'aspect d'un floc decantable. La conservation et la concentration de la biomasse y sont généralement réalisées par décantation (séparation biomasse - effluent) et recirculation de la boue ainsi décantée du séparateur vers le réacteur biologique (réensemencement et concentration de la biomasse dans le réacteur). Le séparateur de phases ou décanteur peut être indépendant ou combiné au réacteur biologique (cas des bassins combinés).

Les performances du traitement (qualité de l'effluent, charges applicables) sont étroitement liées à l'efficacité du dispositif de séparation de phases, ce qui implique à ce niveau la conception d'ouvrages limitant au maximum la perte de biomasse dans l'effluent.

Ces généralités restent valables dans le cas d'un traitement biologique par voie anaérobie de rejets liquides, et il existe des dispositifs avec biomasse libre anaérobie utilisant soit un décanteur séparé (exemple du procédé contact-anaérobie) soit un décanteur combiné, par exemple selon un dispositif conique installé au-dessus du réacteur.

La difficulté dans un traitement anaérobie par biomasse libre est que l'on a affaire à un système triphasique : eau, biomasse en suspension, et biogaz généré par la biomasse. Au niveau du dispositif de séparation de phases, le dégazage va perturber la décantation de la boue et entraîner une perte par flottation d'une partie des flocs, ce qui provoque une teneur importante en matières en suspension dans l'effluent traité et l'impossibilité de conserver une concentration élevée en biomasse dans le réacteur biologique.

L'un des buts essentiels de l'invention est de pallier Ceci~ sèment ces inconvénients et d'assurer une très bonne séparation des phases dans un système triphasique de type anaérobie. Pour résoudre ce problème, elle propose un module spécial de décanteur destiné à être installé au-dessus d'un réacteur biologique type anaérobie fontionnant en régime de flux ascendant.

Conformément à sa définition la plus générale, le séparateur de phases selon l'invention est essentiellement constitué par un ensemble de paires de lamelles deux deux parallèles et régulièrement espacées entre elles, dans lequel les deux lamelles de chaque paire forment entre elles un angle obtus et sont orientées selon un angle aigu par rapport à l'horizontal ; et en ce que des tubes d'évacuation de gaz sont prévus en prolongement de l'arête centrale de jonction de deux lamelles ; des goulottes de surverse d'eau étant en outre disposes au-dessus dudit ensemble lamellaire ainsi qu'au moins une canalisation d'évacuation du gaz généré dans le réacteur.

Un tel séparateur fonctionne donc selon le principe déja connu de la décantation lamellaire. Toutefois, a la différence des dispositifs classiques ou les lames, parallèles entre elles, ont un angle unique d'inclinaison par rapport a l'horizontale, le système selon l'invention possède en tant que module de base deux demi-lames (appelées ici lamelles) qui permettent d'obtenir une double inclinaison par rapport au plan horizontal. Ceci autorise toute une série d'avantages, qui seront détaillés plus loin, pour la séparation des trois phases réactionnelles du méthaniseur.

Conformément à une autre caractéristique de l'invention, la première et la dernière paire de lamelles, aux deux extrémités du décanteur qui coiffe le réacteur anaérobie, ont une hauteur plus élevée que les autres de façon d'une part, pour la première lamelle, & occul
ter hydrauliquement la zone comprise entre la cloison du module de décantation et cette première lamelle en évitant ainsi toute fuite de matière solide et, d'autre part, pour qu'une couche d'eau soit constamment maintenue au-dessus de l'ensemble des lamelles grâce au prolongement de la dernière lamelle.

De nombreuses autres caractéristiques apparaitront au cours de la description détaillée qui suit relative à un mode de réalisation, non limitatif, d'un dispositif conforme à l'invention, illustré par les dessins schématiques annexés qui représentent
- Figure 1 : une vue d'une paire de lamelles selon l'invention,
avec indication des canalisations de récupération des gaz et
de l'eau ;
- Figure 1 bis : l'orientation des lamelles par rapport aux plans
horizontal et vertical ;
- Figure 2 : une vue de dessous de ladite paire de lamelles ;
- Figure 3 : une vue en coupe longitudinale d'un décanteur selon
l'invention installe au-dessus d'un réacteur biologique ;
- Figures 4 et 5 : des vues éclatées d'une unité pilote comprenant
le récepteur biologique surmonta d'un module de décantation
selon l'invention, avec illustration des systèmes de reprise
d'eau et d'évacuation des gaz produits.

Comme on peut le voir sur les figures 3 à 5, un séparateur de phases 1 selon l'invention, destiné à être installé sur un réacteur biologique 2, est constitué par un assemblage de paires 3 de lamelles à double orientation montées dans un chassis parallélépipédique 4.

Chaque paire de lamelles est surmontée d'un tube 5 d'évacuation de gaz, ce dernier étant ensuite récupéré par une canalisation centrale 6 installée à la partie supérieure du décanteur. En outre, des goulottes 7 de surverse d'eau, ici horizontales, débouchent au-dessus de l'assemblage lamellaire et un dispositif 8 de sortie de l'eau est prévu sur un côté du décanteur.

Si l'on se reporte maintenant aux figures 1 et 1 bis, on voit que chaque paire 3 est constituée par deux demi-lames ou lamelles 9 et 10 qui forment entre elles un angle obtus alpha et qui, par ailleurs, sont orientées par rapport aux plans horizontal et respectivement vertical d'un angle aigu beta. En pratique, alpha varie généralement entre 100 et-130 degrés alors que béta est avantageusement de l'ordre de 60 degrés. Grâce à une double inclinaison de ce type on peut obtenir une séparation nettement améliorée des trois phases : eau, gaz et boues présentes dans le réacteur 2 dont la biomasse libre est à flux ascendant. Les phénomènes de séparation sont schématiquement illustrés sur la figure 1.Le gaz (flèches en pointillé 11) circule en dessous des lamelles et se trouve guide par l'arête centrale 12 ; il est ensuite évacué par le tube 5 situé dans le prolongement de cette arête, sans qu'il y ait perturbation de la rouche aqueuse (flèches en blanc 13) située au-dessus des lamelles. Les boues (flèches en noir 14) redescendent sur la partie supérieure des lamelles en étant guidées à l'opposé de l'arête centrale 12. L'eau est reprise, au niveau de la couche aqueuse 15 située au-dessus des paires 3 de lamelles, par les goulottes de surverse 7 qui permettent de répartir uniformément le flux hydraulique entre toutes les lamelles. La flèche hachurée 16, représentée à la base de la figure 1, correspond au flux de la liqueur mixte, mélange d'eau-boues et gaz, issue du réacteur biologique 2.

La figure 2 montre une vue de dessous d'une paire de lamelles 9, 10. On peut voir que le tube 5 d'évacuation de gaz se prolonge légerement à l'intérieur de l'arête 12 et que cette dernière est masquée, sur une partie au moins de sa longueur, par une entretoise 17. Ainsi, le gaz qui circule le long et sous l'arête centrale, en passant par l'entretoise 17, ne crée aucune zone de turbulence dans la partie haute de la lame, ce qui élimine tout risque d'une mauvaise séparation des phases eau et matières solides.

Conformément & l'une des caractéristiques du module lamellaire selon l'invention, la première paire 3' de lamelles ainsi que la der nière paire 3" sont disposées nettement plus haut que les autres, ceci pour les raisons suivantes : la grande hauteur de la première paire permet d'occulter hydrauliquement la zone comprise entre la cloison 4 (figure 3) du module général 1 et cette première série de lamelles afin d'éviter toute fuite de matière sédimentaire M#ST ; d'autre part, la hauteur de la dernière paire 3" permet de maintenir une couche d'eau 15 au-dessus de l'ensemble des autres séries de lamelles, les goulottes 7 de reprise d'eau situées dans cette couche débouchant alors sur cette dernière paire de lamelles.Ainsi, l'eau qui ruisselle peut s'évacuer sur le dessus de cette dernière paire, ce qui facilite le dégazage de l'effluent traité. La zone basse 18 comprise entre la dernière paire 3" de lamelles et la cloison 4 du module permet de réaliser un joint hydraulique sur le circuit de sortie d'eau par la canalisation 8, ce qui évite ainsi à nouveau des pertes de gaz.

Comme on peut le voir sur la figure 3 et selon une variante de l'invention, une partie des lamelles (9', 9") peut être prolongée au sein du réacteur biologique 2 dans le cas ou l'on désire mettre en oeuvre un réacteur travaillant partiellement avec une biomasse fixée.

Grace aux améliorations apportées par un tel module de séparation de phases, on peut travailler sur de grandes concentrations en matières polluées, notamment supérieures a 5 000 mg/l de DCO (demande chimique en oxygène).

On a réalisé des séries d'expérimentations sur une installation pilote comprenant un digesteur ou réacteur biologique à biomasse libre surmonté d'un module lamellaire conforme a l'invention et, à titre d'exemple, on fournit ci-dessous les principaux résultats obtenus sur un effluent de synthèse
Caractéristiques du rejet - DCO totale .................... 6.000 mg/litre - DCO soluble ...........,........ 5.800 mg/litre - MeST ........................... 200 mg/litre
Charges appliquées - Volumique ...................,.. 15 kg DCO/m3 jour - Massique ....................... 0,5 kg DCO/kg biomasse jour
Caractéristiques de l'effluent traité - DCO totale ..................... 1 250 mg/litre - DCO soluble ..........,......... 1 000 mg/litre - MeST ........................... 150 mg/litre
Rendements d'épuration 79 % sur la DCO totale 83 % calcule sur la fraction soluble de la DCO de sortie
Concentration moyenne des boues dans le digesteur : 30 kg/m3
Production de gaz : 0,42 m3/kg DCO éliminée
Bien entendu, les rendements et la concentration finale en
DCO soluble sont spécifiques du substrat traité. 14 à 16 % de la DCO initiale, dans ce cas particulier,-constitue de la pollution non biodégradable et ne peut donc être éliminée.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Dispositif séparateur de phases du type lamellaire, a installer au-dessus d'un réacteur biologique (2) travaillant en milieu anaérobie, caractérisé en ce qu'il est constitué par un ensemble de paires (3) de lamelles deux a deux parallelres et régulièrement espacées entre elles, dans lequel les deux lamelles (9, 10) de chaque paire forment entre elles un angle (alpha) obtus et sont orientées selon un angle (bêta) aigu par rapport à l'horizontale ; et en ce que des tubes (5) d'évacuation de gaz sont prévus en prolongement de l'arête centrale (12) de jonction de deux lamelles (9, 10) ; des goulottes (7) de surverse d'eau étant en outre disposées au-dessus dudit ensemble lamellaire (1) ainsi qu'au moins une canalisation (6) d'évacuation du gaz généré dans le réacteur.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première (3') et dernière (3") paires de lamelles aux deux extrémités du dispositif coiffant le réacteur (2) ont une hauteur sensiblement plus élevée que les autres et reçoivent lesdites goulottes (7) de surverse d'eau, un circuit (8) de sortie de l'eau étant prévu entre la dernière paire (3") de lamelle et la cloison (4) du dispositif séparateur.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que une partie au moins des lamelles (9', 9") est prolongée vers le bas au sein du réacteur biologique pour travailler avec un système de biomasse fixez

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que, sur une partie de la longueur de l'arête (12) de jonction entre deux lamelles, est prévue une entretoise (17) à l'issue de laquelle, près de l'extrémité supérieure de ladite arête, débouche le tube (5) d'évacuation de gaz.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que l'angle aigu beta fait par chaque lamelle dans ladite paire est de l'ordre de 60 degrés par rapporta l'horizontale alors que l'angle obtus fait par deux lamelles d'une paire est compris entre 110 et 130 degrés.