FR2679547A1 - Method for water purification and reactor for making use of this method - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne une méthode pour la purification de l'eau et un réacteur pour la mise en oeuvre de cette méthode. The present invention relates to a method for purifying water and to a reactor for implementing this method.
On connait déjà différentes méthodes pour la purification des eaux usées, par exemple, par voie mécanique, par sédimentation ou filtration; par voie chimique, par addition de composés chimiques et par traitement à l'aide d'un gaz tel que, par exemple, l'ozone ou le chlore. En outre, il est connu également de traiter l'eau par voie biologique, c'est-à-dire en la mettant en contact avec une culture de bactéries qui provoquera la conversion désirée des agents polluants. Dans une large mesure, actuellement, toutes ces méthodes sont plus ou moins combinées dans les installations existantes. Various methods are already known for purifying waste water, for example, mechanically, by sedimentation or filtration; chemically, by adding chemical compounds and by treatment with a gas such as, for example, ozone or chlorine. In addition, it is also known to treat water biologically, that is to say by bringing it into contact with a culture of bacteria which will cause the desired conversion of pollutants. To a large extent, currently, all of these methods are more or less combined in existing installations.
La présente invention concerne plus particulièrement les problèmes en relation avec la purification biologique à l'aide de cultures bactériennes. The present invention relates more particularly to the problems relating to biological purification using bacterial cultures.
Le biofilm, dont il sera question après, doit être compris comme représentant une couche de culture bactérienne dans laquelle les bactéries peuvent être de nature aérobie, anoxique ou anaérobie, selon la nature de purification recherchée. The biofilm, which will be discussed later, should be understood as representing a layer of bacterial culture in which the bacteria can be aerobic, anoxic or anaerobic, depending on the nature of purification sought.
Les méthodes de purification biologique sont d'abord employées pour le traitement des eaux usées mais elles peuvent également s'appliquer à la purification de l'eau utilisée dans les aquacultures ou pour la boisson. La présente invention peut être mise en oeuvre dans tous les domaines dans lesquels des méthodes biologiques peuvent être employées pour la purification de l'eau et des eauxvannes, en particulier dans des procédés biologiques aérobie dans lesquels le contenu du réacteur est soumis à une oxygénation et agité par injection d'air mais il peut aussi s'appliquer aux procédés anaérobie dans lesquels le contenu du réacteur n'est pas aéré mais simplement maintenu sous agitation, soit mécaniquement, soit hydrodynamique -ment. Biological purification methods are first used for the treatment of wastewater, but they can also be applied to the purification of water used in aquacultures or for drinking. The present invention can be implemented in all fields in which biological methods can be used for the purification of water and wastewater, in particular in aerobic biological processes in which the contents of the reactor are subjected to oxygenation and stirred by air injection but it can also be applied to anaerobic processes in which the contents of the reactor are not aerated but simply kept under agitation, either mechanically or hydrodynamically.
Les méthodes biologiques sont largement employées pour la purification de l'eau polluée. Traditionnellement, les méthodes biologiques ont été employées pour réduire le contenu, en matières organiques, de l'eau mais, en particulier dans les dernières années, des méthodes biotechnologiques ont été employées pour éliminer l'ammonium (nitrification), éliminer l'azote par dénitrification et éliminer le phosphore. Biological methods are widely used for the purification of polluted water. Traditionally, biological methods have been used to reduce the content of organic matter in water, but, especially in recent years, biotechnological methods have been used to remove ammonium (nitrification), remove nitrogen by denitrification and remove phosphorus.
Une distinction doit être faite entre les procédés aérobie et anaérobie. Dans les procédés aérobie, les microorganismes ont besoin d'oxygène, tandis que les microorganismes mis en oeuvre dans les procédés anaérobie doivent se trouver dans un environnement dépourvu d'oxygène. La plupart des usines de purification existant dans le monde fonctionnent sur la base de procédés aérobie mais il y a de plus en plus d'intérêt pour les procédés anaérobie, en particulier en relation avec l'élimination de l'azote et la purification des eaux-vannes industrielles riches en matières organiques. A distinction must be made between aerobic and anaerobic processes. In aerobic processes, microorganisms need oxygen, while microorganisms used in anaerobic processes must be found in an environment devoid of oxygen. Most of the purification plants existing in the world operate on the basis of aerobic processes but there is a growing interest in anaerobic processes, in particular in relation to the elimination of nitrogen and the purification of water. -industrial valves rich in organic matter.
Il faut également faire une distinction entre les systèmes à bioboues et les systèmes à biofilms. Dans le système à bioboues, les microorganismes flottent dans l'eau en agrégats autour des particules de boues dans un bioréacteur. Dans les systèmes à boues aérobie, systèmes à boues actives, les particules de boues sont séparées de l'eau et renvoyées dans le bioréacteur afin de maintenir la quantité de biomasse aussi élevée que possible. A distinction must also be made between biobubble systems and biofilm systems. In the biobubble system, microorganisms float in water in aggregates around the sludge particles in a bioreactor. In aerobic sludge systems, active sludge systems, the sludge particles are separated from the water and returned to the bioreactor to keep the amount of biomass as high as possible.
Dans les systèmes à biofilms, la croissance des microorganismes se fait sur des surfaces fixes du bioréacteur. Le biofilm croit en épaisseur au fur et à mesure de la prolifération des microorganismes et il se peut que certaines portions du biofilm se détachent et qu'un nouveau biofilm se reforme. Comme le biofilm est fixe et que l'eau s'écoule sur sa surface, il n'y a pas lieu de retourner la biomasse pour obtenir la meilleure exploitation possible des microorganismes. In biofilm systems, microorganisms grow on fixed surfaces of the bioreactor. The biofilm grows thicker as microorganisms proliferate and some portions of the biofilm may come off and a new biofilm may reform. As the biofilm is fixed and the water flows on its surface, there is no need to turn over the biomass to obtain the best possible exploitation of microorganisms.
Plus tard, il y eu une tendance très nette à remplacer les systèmes à boues par les systèmes à biofilms. Les principales raisons de ce changement sont les suivantes:
a. La biomasse par unité de volume peut être considérablement plus importante, avec pour conséquence que le bioréacteur sera beaucoup plus petit en volume.Later, there was a clear trend to replace sludge systems with biofilm systems. The main reasons for this change are as follows:
at. The biomass per unit volume can be considerably higher, with the consequence that the bioreactor will be much smaller in volume.
b. Les réacteurs à biofilms peuvent supporter de grandes variations de charges ainsi que dans la composition des eaux à traiter, ce qui rend les méthodes utilisant des biofilms plus flexibles et moins sensibles que les méthodes utilisant des boues actives. b. Biofilm reactors can withstand large load variations as well as in the composition of the water to be treated, which makes the methods using biofilms more flexible and less sensitive than the methods using active sludge.
c. Si, pour une raison quelconque, il y a une rupture dans le fonctionnement du processus biologique, aucune conséquence dramatique n'est à craindre dans les méthodes utilisant les biofilms contrairement à ce qui se passe dans les méthodes utilisant les boues actives parce que la concentration de la boue à l'extérieur du bioréacteur est beaucoup plus basse. vs. If, for any reason, there is a break in the functioning of the biological process, no dramatic consequence is to be feared in the methods using biofilms unlike what happens in the methods using active sludge because the concentration mud outside the bioreactor is much lower.
Les réacteurs à biofilms existant à ce jour sont basés sur différents systèmes tels que les biorotors (surface de contact biologique tournante), les filtres classiques et les réacteurs à lit fluidisé. Des exemples de filtres classiques peuvent être trouvés dans le brevet GB 2 197 308 dans le brevet EP 301 237 et dans le brevet FR 73 17859 dans lesquels le réacteur est rempli d'éléments qui sont fixes. I1 y a aussi des biofiltres dans lesquels le milieu support pour le biofilm est immergé et une aération du volume d'eau est prévue mais ces systèmes sont basés sur des supports solides fixes à l'intérieur du réacteur ou sur des éléments en caoutchouc mousse ou analogue que l'on laisse flotter à la surface d'un réacteur à boues actives. Biofilm reactors existing to date are based on different systems such as biorotors (rotating biological contact surface), conventional filters and fluidized bed reactors. Examples of conventional filters can be found in GB patent 2 197 308 in patent EP 301 237 and in patent FR 73 17859 in which the reactor is filled with elements which are fixed. There are also biofilters in which the support medium for the biofilm is immersed and aeration of the volume of water is provided, but these systems are based on fixed solid supports inside the reactor or on foam rubber elements or analog which is left floating on the surface of an active sludge reactor.
Les systèmes à boues actives (systèmes à boues) présentent l'inconvénient qu'il peut être difficile d'obtenir un contrôle suffisant de la séparation de la boue avec pour résultat des pertes non désirées de boue et donc des conséquences sérieuses pour le récipient.Active sludge systems (sludge systems) have the drawback that it can be difficult to obtain sufficient control of the separation of the sludge with the result of unwanted sludge losses and therefore serious consequences for the container.
Un autre inconvénient évident de ces systèmes est que le volume du réacteur sera toujours très important puisque la quantité de biomasse par volume unitaire à l'intérieur du réacteur reste faible. Another obvious drawback of these systems is that the volume of the reactor will always be very large since the quantity of biomass per unit volume inside the reactor remains low.
Cependant, par comparaison aux systèmes à biofilm traditionnels (biorotors et filtres usuels), les systèmes à boues actives présentent l'avantage de mettre en oeuvre des bioréacteurs ouverts qui ne peuvent, en aucun cas, se boucher ou se colmater. However, compared to traditional biofilm systems (conventional biorotors and filters), active sludge systems have the advantage of using open bioreactors which cannot, in any case, become clogged or clogged.
Le plus grand inconvénient des systèmes à biorotors est qu'ils sont basés sur un biorotor préfabriqué, ce qui rend l'appareillage extrêmement peu flexible. On a toujours rencontré de gros problèmes mécaniques avec les biorotors et lorsque l'un d'eux vient à casser, il est difficile d'en adapter un autre provenant d'un autre système. I1 faut toutefois reconnaitre qu'il y a de nombreux exemples d'appareils à biorotors reconstruits en réacteurs à biofiltres mais cette fois-ci dans un système mettant en oeuvre des filtres fixes. The biggest disadvantage of biorotor systems is that they are based on a prefab biorotor, which makes the device extremely inflexible. We have always encountered big mechanical problems with biorotors and when one of them breaks, it is difficult to adapt another from another system. It must however be recognized that there are many examples of biorotor devices reconstructed in biofilter reactors, but this time in a system using fixed filters.
Le principal inconvénient avec le biofiltre traditionnel utilisant des filtres usuels dans lesquels l'eau est versée sur le matériel support du biofilm est que l'oxygénation s'effectue par ventilation naturelle et que le volume du réacteur devient relativement important. The main drawback with the traditional biofilter using conventional filters into which water is poured onto the support material of the biofilm is that the oxygenation takes place by natural ventilation and that the volume of the reactor becomes relatively large.
Un autre inconvénient considérable de ce système est que la quantité d'oxygène apportée dans la mise en oeuvre du procédé ne peut pas être ajustée à celle qui est requise par le procédé biologique et qui depend, évidemment, de la charge organique de l'eau. On sait, de façon générale, que dans ces conditons, les biofiltres traditonnels ont une action de purification moins bonne pour une charge en matières organiques donnée, par unité de surface, que les autres méthodes utilisant des biofilms.Another considerable drawback of this system is that the quantity of oxygen brought into the implementation of the process cannot be adjusted to that which is required by the biological process and which obviously depends on the organic load of the water. . It is generally known that in these conditions, traditional biofilters have a poorer purification action for a given organic matter load, per unit area, than the other methods using biofilms.
Une autre méthode est celle qui fait appel aux biofiltres dits immergés. Le principe de ce biofiltre est qu'un matériau biofiltrant fixe est immergé dans le réacteur tandis que la biomasse est oxygénée par aération. Another method is that which uses so-called submerged biofilters. The principle of this biofilter is that a fixed biofiltrant material is immersed in the reactor while the biomass is oxygenated by aeration.
La surface de croissance du biofiltre immergé est fixe et consiste, en général, en paillettes ou flocons de matière plastique ondulée assemblée pour former des cubes qui sont empilés les uns sur les autres soit comme les briques dans la construction d'un mur, ou au contraire empilées au hasard; on peut également utiliser des granulés qui sont, bien évidemment, fixes pendant le fonctionnement du biofiltre. Le principal inconvénient des biofiltres fixes, immergés, est que l'accès à la face inférieure du biofiltre est extrêmement malaisé. Si le biofiltre se colmate sur sa face inférieure, ou si les arrivées d'air d'aération placées sous le biofiltre se bouchent, il faut retirer l'ensemble du biofiltre du réacteur pour le nettoyer. On a également rencontré un problème d'une autre nature lorsque l'ensemble des éléments du biofiltre s'est mis à flotter à la suite d'un colmatage partiel avec formation de grandes poches d'air dans le matériau du biofiltre.The growth surface of the submerged biofilter is fixed and generally consists of flakes or flakes of corrugated plastic assembled to form cubes which are stacked on top of each other either as bricks in the construction of a wall, or at otherwise randomly stacked; one can also use granules which are, of course, fixed during the operation of the biofilter. The main disadvantage of fixed, submerged biofilters is that access to the underside of the biofilter is extremely difficult. If the biofilter becomes clogged on its underside, or if the ventilation air inlets placed under the biofilter become blocked, the entire biofilter must be removed from the reactor to clean it. A problem of another nature was also encountered when all of the elements of the biofilter began to float following a partial clogging with the formation of large air pockets in the material of the biofilter.
Un autre système est ce que l'on appelle un bioréacteur à lit fluidisé. Ce type de réacteur est rempli avec du sable et l'eau envoyée, par pompage, du bas de l'appareil vers son sommet a une vitesse suffisante pour fluidiser le sable. Le biofilm croit sur les grains de sable; dans ce système, on a une biomasse très importante par unité de volume du réacteur car la surface spécifique de croissance pour le biofilm est très grande. Another system is what is called a fluidized bed bioreactor. This type of reactor is filled with sand and the water sent, by pumping, from the bottom of the device to its top at a speed sufficient to fluidize the sand. Biofilm grows on grains of sand; in this system, there is a very large biomass per unit volume of the reactor because the specific growth surface for the biofilm is very large.
L'inconvénient de ce système, par contre, résulte de la très grande charge organique en volume qui en découle. En conséquence, les systèmes à fonctionnement aérobie ne peuvent pas recevoir, par unité de volume, l'apport de la quantité d'oxygène suffisant pour remplacer l'oxygène consommé par la biomasse. En pratique, il y a encore un autre problème, celui de séparer le biofilm des grains de sable puisque ceux-ci sont extrêmement petits (en général d'une taille comprise entre 0,4 et 0,6 mm). En plus de tout ce qui a été exposé ci-dessus, il existe d'autres systèmes qui peuvent se situer de façon intermédiaire entre les différents systèmes traditionnels décrits. Dans la plupart de ces systèmes, le but est d'augmenter la biomasse par unité de volume du bioréacteur par formation d'un biofilm. The drawback of this system, on the other hand, results from the very large organic load in volume which results therefrom. Consequently, aerobic systems cannot receive, per unit of volume, the supply of the quantity of oxygen sufficient to replace the oxygen consumed by the biomass. In practice, there is yet another problem, that of separating the biofilm from the grains of sand since the latter are extremely small (in general of a size of between 0.4 and 0.6 mm). In addition to all that has been explained above, there are other systems which may be situated intermediate between the various traditional systems described. In most of these systems, the aim is to increase the biomass per unit volume of the bioreactor by forming a biofilm.
La plupart de ces systèmes alternatifs sont basés sur quelque chose qui se situe entre un système à biofilm et un système à boues actives, la boue récupérée dans le bassin de séparation, après l'opération, étant ensuite renvoyée dans le bioréacteur pour créer une culture de boue, en plus de la culture du biofilm. Most of these alternative systems are based on something that lies between a biofilm system and an active sludge system, the sludge recovered in the separation tank, after the operation, then being returned to the bioreactor to create a culture mud, in addition to biofilm culture.
Ce type de système est peu satisfaisant parce que:
a. La concentration de la boue dans le bassin de séparation, après l'opération de purification, devient très élevée ce qui est susceptible de causer des risques importants pour le récipient par manque de boue;
b. Les particules de boue introduisent une nouvelle souche organique sur le biofilm, fait qui a été démontré dans différents projets de recherche.This type of system is unsatisfactory because:
at. The concentration of mud in the separation tank, after the purification operation, becomes very high which is likely to cause significant risks for the container due to lack of mud;
b. The mud particles introduce a new organic strain to the biofilm, a fact which has been demonstrated in various research projects.
Un inconvénient très important des systèmes basés sur une biomasse croissant sur et dans des petits dés de caoutchouc mousse, est que ces dés flottent à la surface du réacteur si bien que seule la surface de l'eau constitue la zone d'échange possible: il en résulte un très faible contact efficace entre la biomasse et son substrat. Un autre inconvénient très important de ce système réside dans le fait que l'on a montré que la biomasse croit seulement sur la surface des des et pas du tout sur les alvéoles de ceux-ci comme on le pensait. Cela est une conséquence du fait que, le biofilm se posant sur la surface externe, ferme ses alvéoles à l'eau et aux substrats. A very important drawback of systems based on biomass growing on and in small foam rubber dice is that these dice float on the surface of the reactor so that only the surface of the water constitutes the possible exchange zone: this results in very little effective contact between the biomass and its substrate. Another very important drawback of this system resides in the fact that it has been shown that the biomass only grows on the surface of the cells and not at all on the cells of the latter as was thought. This is a consequence of the fact that, the biofilm landing on the external surface, closes its cells with water and substrates.
Selon l'invention, on a trouvé que les inconvénients les plus importants des différents systèmes exposés plus haut pouvaient être évités tout en retenant cependant la partie la plus importante des avantages attachés à chacun d'eux. According to the invention, it has been found that the most significant drawbacks of the various systems described above could be avoided while retaining the most important part of the advantages attached to each of them.
Dans la présente méthode de purification de l'eau, on utilise un nouveau type de support pour biofilm qui peut être utilisé dans un bioréacteur dans lequel les bioorganismes appropriés peuvent croître sur le support. In the present method of water purification, a new type of biofilm carrier is used which can be used in a bioreactor in which the appropriate bioorganisms can grow on the carrier.
Par suite, selon la présente invention, on dispose d'une méthode pour la purification de l'eau dans laquelle les eaux usées sont amenées dans un réacteur contenant des supports sur lesquels un biofilm peut croitre et amener, par la même, la conversion désirée des impuretés. Cette méthode est caractérisée par l'emploi de supports qui sont des particules de matière plastique présentant:
a. Une surface qui est au moins 1,5 et plus particulièrement, au moins 2 fois, plus importante que la surface externe d'un élément correspondant, plein, présentant les mêmes dimensions;
b. Une densité entre 0,90 et 1,20, normalement plutôt entre 0,92 et 0,98 et, de préférence, comprise entre 0,92 et 0,96;
c. Une surface externe protégée contre l'usure externe du biofilm pendant l'emploi;
d. Une forme qui permette un passage facile de l'eau sur le biofilm, les supports avec le biofilm étant maintenus en suspension et en mouvement dans l'eau dans un réacteur équipé d'orifices d'alimentation et de sortie et, optionnellement, de moyens de brassage.As a result, according to the present invention, there is a method for purifying water in which the waste water is brought into a reactor containing supports on which a biofilm can grow and thereby bring about the desired conversion. impurities. This method is characterized by the use of supports which are particles of plastic material having:
at. A surface which is at least 1.5 and more particularly, at least 2 times, larger than the external surface of a corresponding, solid element, having the same dimensions;
b. A density between 0.90 and 1.20, normally rather between 0.92 and 0.98 and preferably between 0.92 and 0.96;
vs. An external surface protected against external wear of the biofilm during use;
d. A shape that allows easy passage of water over the biofilm, the supports with the biofilm being kept in suspension and moving in water in a reactor equipped with supply and outlet ports and, optionally, means of brewing.
D'une façon générale, la taille du support sera une question d'adaptation au problème posé et une taille convenable de support correspondra à des éléments ayant une dimension linéaire comprise entre 0,2 et 3 cm et, de préférence, entre 0,5 et 1,5 cm. Cependant il doit être noté que la caractéristique essentielle est que ces supports puissent être maintenus en suspension dans le réacteur, et, sous réserve que cette condition soit satisfaite, d'autres dimensions que celles indiquées ci-dessus peuvent être envisagées. In general, the size of the support will be a question of adaptation to the problem posed and a suitable size of support will correspond to elements having a linear dimension between 0.2 and 3 cm and, preferably, between 0.5 and 1.5 cm. However, it should be noted that the essential characteristic is that these supports can be kept in suspension in the reactor, and, provided that this condition is satisfied, dimensions other than those indicated above can be envisaged.
En pratique, le support sera réalisé dans un plastique non dur de telle sorte qu'il ne s'use pas au contact des autres supports ni à celui du réacteur et de ses équipements. Puisqu'il s'agit ici d'un plastique qui doit être utilisé essentiellement comme support pour un film de bactéries, il est particulièrement avantageux d'utiliser de la matière plastique recyclée pour la fabrication de ces supports. In practice, the support will be made of a non-hard plastic so that it does not wear on contact with other supports or with that of the reactor and its equipment. Since this is a plastic which must be used essentially as a support for a film of bacteria, it is particularly advantageous to use recycled plastic for the manufacture of these supports.
I1 n'y a pas de contrainte particulière en ce qui concerne la forme des supports pour autant qu'ils présentent une surface importante par unité de poids et qu'ils respectent l'éventail de densité indiqué plus haut afin de pouvoir être maintenus en suspension. Des supports convenant à cet usage peuvent, par exemple, être des sections de tubes qui présentent des cloisons de séparation internes orientées dans le sens de la génératrice. I1 se formera une couche de biofilm de la culture de la bactérie désirée sur les surfaces externe et interne du tube et des cloisons de séparation. En général, il peut y avoir autant de cloisons de séparations qu'il est physiquement possible d'en mettre pour augmenter la surface étant bien entendu que l'on doit faire en sorte que les ouvertures entre les différentes cloisons internes ne deviennent pas si petites qu'elles risquent de se colmater rapidement. Lorsque le support se présente sous la forme d'une section de tube avec des cloisons de séparation interne, les parois externes peuvent, de préférence, présenter une courbure concave afin que la paroi externe soit soumise à moins de contact avec les autres supports ou avec les différentes surfaces du réacteur lors du fonctionnement. Dans ces conditions, le biofilm existant sur la paroi externe du support sera moins dégradé. Un tube utilisable pour la fabrication de ses supports peut avoir par exemple des cloisons internes disposées en croix. Dans une variante, ces cloisons internes peuvent être disposées en nids d'abeille mais on peut également utiliser toute autre disposition qui fournisse également une grande surface et un passage suffisamment facile pour les liquides. I1 est aussi possible d'utiliser des particules présentant une surface rugueuse, par exemple, des granules quant bien même ils présenteraient une surface plus petite que les sections de tubes décrites plus haut. There is no particular constraint with regard to the shape of the supports provided that they have a large surface area per unit of weight and that they respect the range of density indicated above in order to be able to be kept in suspension. . Supports suitable for this use may, for example, be sections of tubes which have internal partition walls oriented in the direction of the generator. A biofilm layer of the culture of the desired bacteria will form on the external and internal surfaces of the tube and the partition walls. In general, there can be as many partitions as it is physically possible to put to increase the surface, it being understood that one must make sure that the openings between the different internal partitions do not become so small they may clog quickly. When the support is in the form of a tube section with internal partitions, the external walls may preferably have a concave curvature so that the external wall is subjected to less contact with the other supports or with the different surfaces of the reactor during operation. Under these conditions, the biofilm existing on the external wall of the support will be less degraded. A tube usable for the manufacture of its supports may for example have internal partitions arranged in a cross. Alternatively, these internal partitions can be arranged in honeycomb but one can also use any other arrangement which also provides a large surface area and a passage that is sufficiently easy for liquids. It is also possible to use particles having a rough surface, for example, granules even though they would have a smaller surface than the sections of tubes described above.
De façon convenable, le support peut être un tronçon d'un tube extrudé présentant des parois de séparation interne orientées longitudinalement et des ailettes orientées de la même façon sur la surface externe. La raison pour laquelle un tel type de support est particulièrement avantageux est qu'il est très facile à fabriquer, contrairement à un support qui serait fabriqué par d'autres méthodes possibles comme, par exemple, le moulage, où chaque support doit être moulé individuellement. Dans l'extrusion, au contraire, le tube est produit en continu et coupé, à la demande, en tronçons de dimensions appropriées. Toutes les cloisons seront donc orientées longitudinalement si bien que quelles que soient les dimensions des tronçons, la section transversale sera toujours la même. Suitably, the support can be a section of an extruded tube having internal partition walls oriented longitudinally and fins oriented in the same way on the external surface. The reason why such a support is particularly advantageous is that it is very easy to manufacture, unlike a support that would be manufactured by other possible methods such as, for example, molding, where each support must be molded individually . In extrusion, on the contrary, the tube is produced continuously and cut, on demand, into sections of appropriate dimensions. All the partitions will therefore be oriented longitudinally so that whatever the dimensions of the sections, the cross section will always be the same.
En plus de présenter des séparations internes, il a été trouvé plus particulièrement avantageux que le tube comporte également des ailettes sur sa face externe; ceci est une forme qui se prête tout à fait à l'extrusion et conduit à un support présentant des surfaces de contact tant à l'intérieur qu'à l'extérieur. En procédant ainsi, on comprendra aisément qu'on obtienne une surface particulièrement importante de contact avec peu de matière, en général de la matière plastique par rapport à la surface initiale du tube. De la même façon que pour les surfaces internes du tube, les portions de surfaces externes proches des ailettes extrudées de la surface externe du tube seront protégées contre l'usure mécanique du biofilm pendant l'opération. In addition to having internal partitions, it has been found more particularly advantageous that the tube also has fins on its external face; this is a form which lends itself perfectly to extrusion and leads to a support having contact surfaces both inside and outside. By doing so, it will easily be understood that a particularly large contact surface with little material, in general plastic material, is obtained in relation to the initial surface of the tube. In the same way as for the internal surfaces of the tube, the portions of external surfaces close to the fins extruded from the external surface of the tube will be protected against mechanical wear of the biofilm during the operation.
Un type satisfaisant de supports comprenant des ailettes est représenté, en section transversale, sur la figure 1. En vue latérale, ce même support ressemble à un rectangle. C'est pratiquement la forme la plus simple à concevoir. Une autre forme est représentée sur la figure 2 sur laquelle le tube présente une section carrée et est équipé de plusieurs cloisons internes. Une modification de ce mode de réalisation est représentée sur la figure 3 dans laquelle, tant les cloisons internes que les cloisons externes, se projettent à partir de la circonférence du tube pour constituer les dites ailettes. Ainsi que cela est représenté sur la figure 1, de telles ailettes n'ont pas obligatoirement à se trouver dans le prolongement de cloisons internes ou externes mais peuvent être des ailettes indépendantes se plaçant entre celles qui, par exemple, ont été représentés sur la figure 3. A satisfactory type of support comprising fins is shown, in cross section, in FIG. 1. In side view, this same support resembles a rectangle. It is practically the simplest form to design. Another form is shown in Figure 2 in which the tube has a square section and is equipped with several internal partitions. A modification of this embodiment is shown in FIG. 3 in which, both the internal partitions and the external partitions, project from the circumference of the tube to constitute the said fins. As shown in Figure 1, such fins do not necessarily have to be in the extension of internal or external partitions but can be independent fins placed between those which, for example, have been shown in the figure 3.
Le support est utilisé dans des réacteurs pour la purification de l'eau en introduisant une quantité appropriée de supports dans le réacteur et l'eau qui doit être purifiée est traitée par celui-ci par le biofilm qui est supporté et croit sur les supports, ce qui amène la conversion voulue des agents polluants. Sur le plan pratique, on utilise un réacteur comprenant une alimentation à sa base et une évacuation d'eau purifiée à sa partie supérieure; cependant, une telle localisation n'est pas indispensable, en particulier si on utilise des moyens appropriés de brassage et de circulation des fluides. Le réacteur est équipé, comme il convient, de moyens de filtrage de telle sorte que les dimensions des mailles soient inférieures au plus petit diamètre des supports. Ceci est destiné à empêcher que les supports sortent du réacteur. Les supports peuvent être facilement pompés tant pour les charger dans le réacteur que pour les évacuer et les opérations d'entretien n'imposent pas un arrêt de l'opération. The support is used in reactors for the purification of water by introducing an appropriate quantity of supports into the reactor and the water which must be purified is treated by the latter with the biofilm which is supported and grows on the supports, which brings about the desired conversion of pollutants. In practical terms, a reactor is used comprising a feed at its base and an outlet for purified water at its top; however, such localization is not essential, in particular if appropriate means of mixing and circulation of fluids are used. The reactor is equipped, as appropriate, with filtering means so that the mesh dimensions are less than the smallest diameter of the supports. This is to prevent the media from leaving the reactor. The supports can be easily pumped both to load them in the reactor and to evacuate them and the maintenance operations do not impose a stop of the operation.
Les supports, leur emploi, le réacteur et la méthode selon l'invention constituent un système qui, comparé aux différents systèmes déjà connus et décrits plus hauts, présentent plusieurs avantages: - Le volume du réacteur est complètement ouvert et la surface sur laquelle le biofilm croit est constituée par des particules solides et non poreuses circulant à l'intérieur du réacteur parce que ces particules ont une densité voisine de 1. The supports, their use, the reactor and the method according to the invention constitute a system which, compared to the various systems already known and described above, have several advantages: - The volume of the reactor is completely open and the surface on which the biofilm believes is constituted by solid and non-porous particles circulating inside the reactor because these particles have a density close to 1.
- Le bioréacteur peut être complètement fermé et les supports immergés, ce qui permet un contact optimal entre les impuretés de l'eau et les microorganismes portés par les supports, ainsi qu'une maitrise complète des problèmes d'odeur liés à certains agents utilisés dans le procédé.- The bioreactor can be completely closed and the supports immersed, which allows optimal contact between the impurities of the water and the microorganisms carried by the supports, as well as a complete control of the odor problems linked to certain agents used in the process.
- Le bioréacteur peut etre oxygéné par aération, ce qui permet une adaptation appropriée entre la consommation et l'apport en oxygène. Ainsi, la charge organique peut être ajustée en relation avec ce qui est consommé par la biomasse. - The bioreactor can be oxygenated by aeration, which allows an appropriate adaptation between consumption and oxygen supply. Thus, the organic load can be adjusted in relation to what is consumed by the biomass.
Le système selon la présente invention présente le même avantage que les systèmes à boues actives, en ce sens que le réacteur est ouvert et, par suite, ne peut pas se colmater. En outre, le réacteur peut présenter pratiquement n'importe quelle forme. The system according to the present invention has the same advantage as active sludge systems, in that the reactor is open and, consequently, cannot become clogged. In addition, the reactor can have virtually any shape.
Un grand avantage du présent système comparé avec les autres systèmes à biofilm est que les systèmes existants à boues actives peuvent être facilement reconstruits de telle sorte qu'un système conforme à la présente invention puisse y être adapté dans les installations existantes basées sur le principe des boues actives; une telle reconstruction serait extrêmement compliquée pour les autres systèmes à biofilm. A great advantage of the present system compared with the other biofilm systems is that the existing active sludge systems can be easily reconstructed so that a system according to the present invention can be adapted to it in existing installations based on the principle of active sludge; such a reconstruction would be extremely complicated for other biofilm systems.
La différence entre le présent système et les systèmes à biofiltres immergés décrits plus haut réside principalement dans le fait que la surface de croissance du biofilm dans le présent système est en circulation permanente dans le bioréacteur du fait de la turbulence générée par l'aération ou par les forces hydrodynamiques, tandis que la surface de croissance pour les biofiltres immergés, ainsi que cela a été précisé plus haut, est fixe et consiste normalement en des paillettes de matière plastique ondulée collés ensemble sous forme de cubes qui sont, soit placés en empilement régulier comme pour former un mur, soit disposés de façon aléatoire ou peut être constitué de granules disposés de façon aléatoire dans le réacteur mais restant fixes pendant le fonctionnement du biofiltre. The difference between the present system and the submerged biofilter systems described above mainly lies in the fact that the growth surface of the biofilm in the present system is in permanent circulation in the bioreactor due to the turbulence generated by aeration or by hydrodynamic forces, while the growth surface for submerged biofilters, as stated above, is fixed and normally consists of flakes of corrugated plastic glued together in the form of cubes which are either placed in regular stack as to form a wall, either arranged randomly or can consist of granules arranged randomly in the reactor but remaining fixed during the operation of the biofilter.
Dans le présent système, le colmatage du milieu biofiltre n'est pas possible puisque ce milieu biofiltre n'est pas fixe mais se déplace avec les courants de fluide à l'intérieur du bioréacteur. Si le dispositif d'aération du réacteur venait à se boucher, il serait très facile de retirer le milieu biofiltre simplement par pompage. De la même manière, le bioréacteur serait, après, également rechargé par pompage. In the present system, clogging of the biofilter medium is not possible since this biofilter medium is not fixed but moves with the fluid streams inside the bioreactor. If the aeration device of the reactor becomes blocked, it would be very easy to remove the biofilter medium simply by pumping. In the same way, the bioreactor would, afterwards, also be recharged by pumping.
Quand le bioréacteur est utilisé dans des procédés anaérobie, c'est à dire sans aération, le milieu biofiltre est soumis à une agitation continue ou sporadique, par exemple, par un agitateur à hélice ou par une pompe de circulation. Dans ces conditions, les chances de colmatage sont faibles contrairement à ce qui se passe lorsqu'on utilise un biofiltre fixe, système dans lequel le risque de colmatage en fonctionnement anaérobie est assez important. When the bioreactor is used in anaerobic processes, that is to say without aeration, the biofilter medium is subjected to continuous or sporadic agitation, for example, by a propeller agitator or by a circulation pump. Under these conditions, the chances of clogging are low, unlike what happens when a fixed biofilter is used, a system in which the risk of clogging in anaerobic operation is quite significant.
Le contenu du réacteur peut, également, être chauffé pour accélérer la réaction dans les procédés anaérobie.The contents of the reactor can also be heated to accelerate the reaction in anaerobic processes.
Dans le présent système, la surface voulue par unité de volume peut être choisie et, de ce fait, l'apport d'oxygène peut être ajusté pour s'adapter exactement à la consommation d'oxygène constatée. L'apport d'oxygène peut être ajusté de telle sorte que l'on puisse utiliser simplement de l'air au lieu d'oxygène pur pour l'oxygénation. Les particules sur lesquelles le biofilm croit sont comparativement de dimensions assez importantes, elles n'ont pas tendance à tomber mais à circuler et sont maintenues en circulation, si bien que la densité des particules peut être choisie de façon indépendante de la quantité d'eau traversant le réacteur. In the present system, the desired surface per unit of volume can be chosen and, therefore, the oxygen supply can be adjusted to adapt exactly to the oxygen consumption observed. The oxygen supply can be adjusted so that one can simply use air instead of pure oxygen for oxygenation. The particles on which the biofilm believes are comparatively large enough, they do not tend to fall but to circulate and are kept in circulation, so that the density of the particles can be chosen independently of the amount of water crossing the reactor.
Dans le système selon la présente invention, la boue ne doit pas normalement être renvoyée dans le bioréacteur dans l'intention d'augmenter la biomasse. Cependant, ceci n'empêche pas qu'elle puisse l'être si, par exemple, le système est utilisé dans des installations existantes à boues actives. In the system according to the present invention, the sludge does not normally have to be returned to the bioreactor with the intention of increasing the biomass. However, this does not prevent it from being able to be used if, for example, the system is used in existing active sludge installations.
L'un des objets particuliers de l'invention est d'obtenir un taux plus élevé de désintégration du substrat par unité de volume du réacteur que celle que l'on obtient généralement dans les systèmes concurrents, et par suite, d'aboutir à des coûts de fonctionnement plus bas par unité de poids désintégré du substrat. One of the particular objects of the invention is to obtain a higher rate of disintegration of the substrate per unit volume of the reactor than that which is generally obtained in competing systems, and consequently, to achieve lower operating costs per unit of disintegrated weight of the substrate.
Ceci peut être obtenu en laissant croitre le biofilm sur les supports, selon la présente invention, mis en place dans un réacteur qui est traversé par l'eau qui est destinée à être purifiée. This can be obtained by allowing the biofilm to grow on the supports, according to the present invention, placed in a reactor which is crossed by the water which is intended to be purified.
Si l'on doit mettre en oeuvre un procédé biologique aérobie dans le bioréacteur, le contenu du réacteur sera aéré. Par l'aération, les supports sont largement brassés dans le volume du réacteur et on obtient ainsi un excellent contact entre le biofilm qui croit sur les supports et le substrat contenu dans les eaux usées. If an aerobic biological process is to be carried out in the bioreactor, the contents of the reactor will be aerated. By aeration, the supports are largely stirred in the volume of the reactor and an excellent contact is thus obtained between the biofilm which grows on the supports and the substrate contained in the wastewater.
Si l'on doit mettre en oeuvre un procédé anaérobie dans le bioréacteur, le contenu du réacteur n'est pas aéré. Un brassage suffisamment important du contenu du réacteur est alors assuré par des moyens mécaniques par un agitateur à hélice ou par une pompe de circulation. If an anaerobic process has to be carried out in the bioreactor, the contents of the reactor are not aerated. Sufficiently large mixing of the reactor contents is then ensured by mechanical means by a propeller agitator or by a circulation pump.
Normalement, les supports seront maintenus dans l'enceinte du réacteur lors de la sortie de l'eau épurée, grâce à la présence de filtres dont la lumière est plus petite que la section la plus faible des supports. Dans certaines applications particulières, par exemple, l'élimination du phosphore par voie biologique, il serait possible de laisser les supports quitter le réacteur en même temps que l'eau épurée, de les séparer plus tard et de les renvoyer dans le réacteur, ceci dans ce cas particulier est fait pour que le biofilm puisse croitre sur les supports successivement dans des conditions aérobie et anaérobie. Normally, the supports will be maintained in the reactor enclosure during the exit of the purified water, thanks to the presence of filters whose light is smaller than the weakest section of the supports. In certain specific applications, for example the elimination of phosphorus by biological means, it would be possible to let the supports leave the reactor at the same time as the purified water, to separate them later and to return them to the reactor, this in this particular case is made so that the biofilm can grow on the supports successively under aerobic and anaerobic conditions.
Les réacteurs peuvent être sous forme d'éléments préfabriqués totalement fermés, tant pour les procédés aérobie que pour les procédés anaérobie. Ceci permet de maîtriser complètement le problème d'odeurs de certains agents produits dans le réacteur. Que le réacteur soit utilisé en mode aérobie ou anaérobie, les gaz produits pendant le procédé sont captés et éliminés. Dans le procédé aérobie, les gaz produits sont essentiellement du CO2 et des faibles quantités d'autres gaz que l'on laisse s'échapper à l'air libre après avoir, éventuellement, procédé à une opération de désodorisation. Dans les procédés anaérobie, les gaz produits consistent essentiellement en du méthane et du CO2 avec des quantités plus faibles d'autres gaz. Ce biogaz possède un haut pouvoir calorifique et, de ce fait pourra, si on le souhaite, être utilisé pour la production d'énergie. The reactors can be in the form of completely closed prefabricated elements, both for aerobic and anaerobic processes. This makes it possible to completely control the odor problem of certain agents produced in the reactor. Whether the reactor is used in aerobic or anaerobic mode, the gases produced during the process are captured and eliminated. In the aerobic process, the gases produced are essentially CO2 and small quantities of other gases which are allowed to escape into the open air after having possibly carried out a deodorization operation. In anaerobic processes, the gases produced essentially consist of methane and CO2 with smaller amounts of other gases. This biogas has a high calorific value and, therefore, can, if desired, be used for energy production.
Si l'invention est utilisée pour reconstruire des installations de purification existantes, le réacteur sera normalement ouvert puisque l'on peut, dans ce cas, utiliser les bassins existants (par exemple les réservoirs d'aération dans les installations à boue active). If the invention is used to reconstruct existing purification installations, the reactor will normally be opened since it is possible, in this case, to use the existing basins (for example the aeration tanks in active sludge installations).
La quantité de supports dans le réacteur variera selon le domaine d'application et le volume de réacteur disponible. Normalement, cete quantité sera telle que dans un réservoir vide les supports occupent en volume entre 30 et 70% de la capacité du réacteur. Cependant, cette quantité peut être adaptée à la charge de substrats que le réacteur est destiné à traiter. Donc la quantité sera déterminée en fonction de la capacité d'oxygénation du réacteur. The quantity of supports in the reactor will vary according to the field of application and the volume of reactor available. Normally, this quantity will be such that in an empty tank the supports occupy in volume between 30 and 70% of the reactor capacity. However, this quantity can be adapted to the load of substrates that the reactor is intended to process. So the quantity will be determined according to the oxygenation capacity of the reactor.
Les trois paramètres les plus importants à fixer lorsque l'on arrête les dimensions du bioréacteur sont le volume du réacteur, le nombre de supports par unité de volume et l'apport d'oxygène à fournir (dans le cas d'un réacteur aérobie). The three most important parameters to set when deciding on the dimensions of the bioreactor are the volume of the reactor, the number of supports per unit of volume and the oxygen supply to be supplied (in the case of an aerobic reactor) .
Le réacteur lui-même peut être construit dans différents matériaux appropriés mais les réacteurs préfabriqués clos seront fabriques en acier ou en plastique armé renforce à la fibre de verre alors que les réacteurs ouverts seront plutôt construits en béton ou en acier. The reactor itself can be constructed of different suitable materials, but the prefabricated enclosed reactors will be made of steel or reinforced plastic reinforced with fiberglass, while the open reactors will instead be constructed of concrete or steel.
La boue de biofilm peut être separée en aval du bioréacteur par toute technique appropriée de separation des particules comme, par exemple, la sédimentation, la flottation, la filtration et les techniques mettant en oeuvre des membranes. The biofilm sludge can be separated downstream of the bioreactor by any suitable technique for separating the particles such as, for example, sedimentation, flotation, filtration and techniques using membranes.
Ainsi que ceci a été décrit en général plus haut, le bioréacteur peut être utilisé dans toutes les techniques de purification basées sur la dégradation biologique de la substance qui est à éliminer. As described in general above, the bioreactor can be used in all purification techniques based on the biological degradation of the substance which is to be eliminated.
Cependant les domaines d'emplois peuvent être les suivants: * Elimination des matières organiques des eaux usees par reaction aérobie. However, the fields of use can be the following: * Elimination of organic matter from used water by aerobic reaction.
* Elimination des substances organiques des eaux-vannes concentrées par réaction anaérobie.* Elimination of organic substances from concentrated sewage by anaerobic reaction.
* Elimination de l'ammonium par oxydation en nitrite puis en nitrate par réaction aérobie (nitrification).* Elimination of ammonium by oxidation to nitrite then to nitrate by aerobic reaction (nitrification).
* Elimination de l'azote par réduction des nitrites et des nitrates en azote par réaction anaérobie (ou anoxique) - réaction de dénitrification.* Elimination of nitrogen by reduction of nitrites and nitrates into nitrogen by anaerobic (or anoxic) reaction - denitrification reaction.
* Elimination du phosphore par une réaction aérobie/anaérobie.* Elimination of phosphorus by an aerobic / anaerobic reaction.
L'invention procure les avantages suivants dans la purification des eaux usees: * Par rapport aux installations traditionnelles actuellement existantes, le bioréacteur selon l'invention requiert un volume de réacteur plus petit pour éliminer une unité de poids donné de polluants (matières organiques, ammonium, etc..) puisque la biomasse par unité de volume est plus importante.The invention provides the following advantages in the purification of wastewater: * Compared to traditional installations currently existing, the bioreactor according to the invention requires a smaller reactor volume to eliminate a given unit of weight of pollutants (organic materials, ammonium , etc.) since the biomass per unit volume is higher.
* Dans sa forme de realisation préfabriquée le reacteur selon l'invention est normalement fermé afin d'obtenir une meilleure maitrise des gaz odorants que dans les installations traditionnelles. * In its prefabricated embodiment, the reactor according to the invention is normally closed in order to obtain better control of odorous gases than in traditional installations.
* Dans le mode de réalisation fonctionnant en aérobie, il y a une meilleure possibilité d'adapter, que dans les systèmes traditionnels, l'apport d'oxygène en fonction de la demande en oxygène.* In the aerobic embodiment, there is a better possibility of adapting, than in traditional systems, the supply of oxygen as a function of the oxygen demand.
* En raison de la grande surface de contact entre la biomasse et l'air insuffl * Due to the large contact surface between the biomass and the air supplied
Ceci permet de diminuer la demande en air et, par suite, abaissse le coût énergétique de fonctionnement pour le présent réacteur comparé aux systèmes fonctionnant avec des boues actives.This makes it possible to reduce the demand for air and, consequently, lowers the energy operating cost for the present reactor compared to the systems operating with active sludge.
* Le réacteur sera approximativement de la même forme que ce soit pour un fonctionnement aérobie ou anaérobie. De ce fait, il est facile de transformer un système aérobie en un système anaérobie et vice versa. Ceci est un avantage particulier pour les systèmes qui mettent en oeuvre à la fois le mode aérobie et le mode anaérobie, par exemple les systèmes pour l'élimination biologique de l'azote et du phosphore.* The reactor will be approximately the same shape whether for aerobic or anaerobic operation. Therefore, it is easy to transform an aerobic system into an anaerobic system and vice versa. This is a particular advantage for systems which implement both aerobic and anaerobic mode, for example systems for the biological elimination of nitrogen and phosphorus.
* Par comparaison aux biofiltres immergés comportant des surfaces de croissance fixes pour le biofilm, le support de croissance pour biofilm envisagé ici est beaucoup plus facile à retirer du réservoir du réacteur, ce qui simplifie le nettoyage, l'inspection et l'entretien tant du réservoir du réacteur que du système d'aération et réduit les risques de colmatage des surfaces supportant le milieu de croissance.* Compared to submerged biofilters with fixed growth surfaces for biofilm, the growth support for biofilm considered here is much easier to remove from the reactor tank, which simplifies cleaning, inspection and maintenance both reactor tank than the aeration system and reduces the risk of clogging of the surfaces supporting the growth medium.
* Les installations de purification biologique existantes fonctionnant avec des boues actives peuvent très facilement augmenter leurs capacités sans changer de réacteurs quand ils mettent en oeuvre le système selon l'invention.* Existing biological purification installations operating with active sludge can very easily increase their capacities without changing reactors when they use the system according to the invention.
Un réacteur simple a été représenté sur la figure 4 où on voit un réacteur 1 qui est un cylindre comportant des supports 2 pour le biofilm. La sortie d'eau purifiée 5 du réacteur est munie de moyens de filtration 3. L'eau à traiter est envoyée par une conduite à l'entrée 4 du réacteur situé à la base et les gaz générés lors de la réaction sont évacués par un tube 6 prévu au sommet du réacteur. On évite la formation de mousse grâce à un un système de pulvérisation 7 susceptible de projeter de l'eau pulvérisée sur la surface. A simple reactor has been represented in FIG. 4 where we see a reactor 1 which is a cylinder comprising supports 2 for the biofilm. The outlet of purified water 5 from the reactor is provided with filtration means 3. The water to be treated is sent by a pipe to the inlet 4 of the reactor located at the base and the gases generated during the reaction are evacuated by a tube 6 provided at the top of the reactor. The formation of foam is avoided by means of a spraying system 7 capable of projecting sprayed water onto the surface.
La figure 5 représente un réacteur équipé de moyens 8 pour insuffler de l'air à sa base du reacteur, cet air étant amené par une conduite 9. Ce réacteur est destiné à un fonctionnement aérobie.FIG. 5 represents a reactor equipped with means 8 for blowing air at its base of the reactor, this air being supplied by a pipe 9. This reactor is intended for aerobic operation.
Les figures 6 et 7 representent des réacteurs équipés avec des moyens d'agitation pour un fonctionnement anaerobie mais, à ce dispositif près, ils sont similaires aux réacteurs représentés sur la figure 1. Sur la figure 6, les moyens d'agitation consistent en un agitateur à hélice 10 entrainé par un moteur, tandis que sur la figure 7, ces moyens d'agitation consistent en une pompe de circulation 11 associée à une canalisation 12. Figures 6 and 7 show reactors equipped with stirring means for anaerobic operation but, apart from this device, they are similar to the reactors shown in Figure 1. In Figure 6, the stirring means consist of a propeller agitator 10 driven by a motor, while in FIG. 7, these agitating means consist of a circulation pump 11 associated with a pipe 12.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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CA | Change of address | ||
CD | Change of name or company name |