FR3000051A1 - Procede de rechauffage de boues ou d'eaux de station d'epuration d'eaux usees, et station d'epuration mettant en oeuvre ce procede - Google Patents

Abstract

Procédé de réchauffage de boues ou d'eaux de station d'épuration d'eaux usées, laquelle station comporte au moins un équipement dégageant des gaz chauds ou des buées chargés en vapeur d'eau, selon lequel les boues ou les eaux à réchauffer sont collectées dans un bassin ou une conduite selon une couche liquide (15), et des gaz chauds ou des buées chargés en vapeur d'eau provenant de l'équipement de la station sont injectés dans la couche liquide, au-dessous du niveau supérieur (L), de manière à former des bulles (16) et à réchauffer les boues ou les eaux non seulement par transfert de la chaleur sensible des gaz mais aussi par transfert de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau.

Description

PROCEDE DE RECHAUFFAGE DE BOUES OU D'EAUX DE STATION D'EPURATION D'EAUX USEES, ET STATION D'EPURATION METTANT EN OEUVRE CE PROCEDE.

L'invention est relative à un procédé de réchauffage d'effluents constitués par des boues ou des eaux de station d'épuration d'eaux usées. De tels effluents peuvent être constitués par des boues épaissies en amont de digesteurs, ou par des eaux à traiter de bassins d'aération de stations d'épuration, ou par des eaux de bassins de culture de micro-algues, ou par des eaux usées dans des conduites situées en amont des stations d'épuration ou en amont d'un équipement utilisateur de chaleur. Dans une station d'épuration d'eaux usées, des boues épaissies présentant une concentration de matières en suspension (MES) de quelques pourcents, notamment comprise entre 2% et 6 % (20 à 60 g/L), en particulier environ 4 % sont préchauffées, ou pourraient être préchauffées pour favoriser un traitement ultérieur. Un tel préchauffage peut être effectué sur des boues avant leur entrée dans un digesteur, ou sur des eaux à traiter de bassin d'aération, notamment lorsque la température ambiante est faible, par exemple inférieure à 5°C.

Il peut aussi être avantageux de procéder à un réchauffage des eaux usées directement dans les conduites, ou émissaires, situés en amont des stations d'épuration ou en amont d'un équipement utilisateur de chaleur, notamment lors de l'utilisation de réseaux d'eaux usées comme réseaux de chaleur à basse température, ou de procéder à un réchauffage des effluents de bassins de culture de micro-algues dans des bassins ou photo bioréacteurs. Toutefois, ces préchauffages ou réchauffages sont consommateurs d'énergie. Par ailleurs, il existe assez souvent dans une station d'épuration au moins un équipement qui dégage des gaz de combustion chauds ou des buées contenant de la vapeur d'eau, qui sont situés à proximité d'effluents dont le réchauffage serait avantageux. Une quantité de chaleur importante est perdue avec les gaz chauds et la vapeur d'eau dégagés par cet équipement. Une chaudière, ou un sécheur de boues, ou un moteur thermique à gaz ou biogaz constituent des exemples de tels équipements dégageant des gaz chauds ou des buées contenant de la vapeur d'eau. L'invention a pour but, surtout, d'améliorer le bilan énergétique d'un réchauffage d'effluents, et de récupérer au moins une partie de la chaleur de gaz chauds ou des buées chargés de vapeur d'eau dégagés par au moins un équipement tel que chaudière, ou sécheur de boues, ou moteur thermique à gaz ou biogaz. Plus spécialement, l'invention a pour but d'améliorer le bilan énergétique d'une station d'épuration d'eaux usées en exploitant les gaz chauds 5 ou les buées contenant de la vapeur d'eau dégagés par au moins un équipement de cette station. L'expression « gaz chauds » englobe non seulement des gaz de combustion, mais aussi des buées chaudes chargées en vapeur d'eau. Selon l'invention, le procédé de réchauffage de boues ou d'eaux de 10 station d'épuration d'eaux usées, laquelle station comporte au moins un équipement dégageant des gaz chauds ou des buées chargés en vapeur d'eau, est caractérisé en ce que les boues ou les eaux à réchauffer sont collectées dans un bassin ou une conduite selon une couche liquide, et des gaz chauds ou des buées chargés en vapeur d'eau provenant de l'équipement de la station 15 sont injectés dans la couche liquide, au-dessous du niveau supérieur, de manière à former des bulles et à réchauffer les boues ou les eaux non seulement par transfert de la chaleur sensible des gaz mais aussi par transfert de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau. De préférence, les boues ou les eaux sont collectées dans un bassin 20 de bullage. Par l'expression "bullage", on désigne l'opération qui consiste à injecter un gaz ou une buée dans un volume d'effluent, au-dessous de la surface de cet effluent, pour provoquer des bulles de gaz entraînant une surface d'échange considérable entre les gaz ou buées et l'effluent contenu dans le bassin, avec condensation de la vapeur d'eau contenue dans le gaz. 25 Avantageusement, la couche liquide présente une profondeur au moins égale à 30cm. Les boues à réchauffer peuvent être des boues épaissies, en particulier présentant une concentration en MES comprise entre 2% et 6%, qui sont dirigées dans le bassin de bullage. 30 Le procédé peut être mis en oeuvre pour le préchauffage de boues en amont d'au moins un digesteur, en particulier pour porter les boues à une température de 40°C à 55°C, entraînant une réduction de la consommation d'énergie pour le réchauffage des boues épaissies dans un digesteur. Le procédé de l'invention peut également être utilisé pour le 35 réchauffage d' eaux à traiter en amont d'au moins un bassin d'aération, ou dans ce bassin. Les gaz injectés dans le bassin de bullage peuvent provenir de différents équipements et, le cas échéant, être associés dans un même bassin de bullage/réchauffage. Il peut s'agir notamment : - de buées en sortie d'un sécheur thermique de boues ou de digestats, - et/ou de gaz de combustion de biogaz provenant d'une chaudière fournissant de la vapeur, ou un fluide thermique ou de l'eau chaude, - et/ou de gaz de combustion issus d'au moins un moteur thermique à biogaz, - et/ou de gaz de combustion issus de la combustion de boues brutes. Avantageusement, l'injection des gaz chauds dans l'effluent s'effectue à une profondeur comprise entre 500mm et 600mm environ, au-dessous du niveau supérieur de la couche liquide.

L'injection peut avoir lieu à partir d'au moins un conduit fixé sur une paroi verticale du bassin, l'injection étant dirigée vers le bas, ou à partir d'au moins un conduit perforé prévu en fond de bassin. Le ou chaque conduit peut être souple ainsi que les buses d'injection de manière à se fermer lorsqu'il n'y a pas injection de gaz.

La chaleur sensible des gaz ou des buées ne représente qu'une part relativement faible de la chaleur totale qu'ils contiennent, la chaleur latente de la vapeur d'eau étant prépondérante. Selon le procédé de l'invention, cette chaleur latente est récupérée par condensation à une température inférieure à la température de rosée des fumées ou des buées.

L'enthalpie, ou chaleur totale, des gaz permet de réchauffer efficacement les boues ou effluents par la condensation de la vapeur d'eau. Pour préciser les idées, la chaleur latente de gaz saturés à 90°C représente environ quarante-deux fois la chaleur totale de l'air sec à 90°C. L'échange calorifique entre les gaz et les boues ou effluents par bullage, en particulier dans le bassin de bullage, est très efficace puisqu'il est direct sans coefficient d'échange superficiel intermédiaire ; la surface d'échange de petites bulles de gaz avec les boues est considérable, de l'ordre de 1000 m2 au mètre cube. De ce fait, le rendement d'échange calorifique est maximal, et la température des gaz refroidis sortant du bassin de bullage est très proche de celle des boues ou effluents liquides présents dans ce bassin. Du fait que la température des boues ou effluents dans le bassin de bullage est relativement basse, généralement inférieure à 40°C, et que la température du point de rosée de la vapeur d'eau des gaz ou des buées est relativement élevée, nettement supérieure à la température des boues, le taux de condensation de la vapeur d'eau des gaz de combustion ou des buées est très élevé. Des gaz très chauds en provenance d'équipements de combustion ou d'un moteur thermique pourraient être avantageusement "trempés" (ou « quenchés ») par un refroidissement adiabatique, avec évaporation d'eau dans le gaz. Dans le bilan énergétique global, la trempe n'entraînera aucune perte de chaleur due à l'évaporation de l'eau, car cette chaleur latente sera intégralement restituée dans le milieu liquide au cours de la condensation.

Le procédé de l'invention peut être appliqué au réchauffage des eaux usées directement dans les conduites, ou les émissaires, situés en amont de stations d'épuration ou en amont d'un équipement utilisateur de chaleur, notamment lors de l'utilisation de réseaux d'eaux usées comme réseaux de chaleur à basse température, auquel cas les gaz chauds chargés de vapeur d'eau sont injectés dans les conduites d'eaux usées, particulièrement en fond de ces conduites. Le procédé de l'invention peut être appliqué au réchauffage de bassins ou photo bioréacteurs de culture de micro-algues. L'invention est également relative à une station d'épuration pour mettre en oeuvre le procédé défini précédemment, comportant au moins un équipement dégageant des gaz chauds ou des buées contenant de la vapeur d'eau, caractérisée en ce qu'elle comporte un bassin de bullage où les boues ou les eaux à réchauffer sont collectées selon une couche liquide, et au moins une conduite pour des gaz chauds ou buées avec vapeur d'eau provenant de l'équipement de la station, et des moyens pour injecter les gaz chauds ou buées avec vapeur d'eau dans la couche liquide, au-dessous du niveau supérieur, de manière à former des bulles et à réchauffer les effluents non seulement par transfert de la chaleur sensible des gaz mais aussi par transfert de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau.

De préférence, les parois du bassin de bullage sont calorifugées. Avantageusement, la station d'épuration comporte au moins une conduite pour diriger les boues à réchauffer dans le bassin de bullage, au moins une conduite pour les gaz chauds ou les buées avec vapeur d'eau et des moyens pour injecter les gaz ou les buées dans le bassin de bullage au- dessous du niveau supérieur des boues. Le bassin de bullage peut être situé en amont d'un digesteur pour le préchauffage de boues destinées à ce digesteur. La station peut également comporter des moyens pour assurer un réchauffage d'eaux à traiter en amont d'un bassin d'aération, ou pour assurer l'injection de gaz chauds avec vapeur d'eau directement dans au moins un bassin d'aération. Les conduites dirigeant les gaz chauds dans le bassin de bullage peuvent être reliées à la sortie de différents équipements, notamment : - à la sortie de buées d'un sécheur thermique de boues, - ou à la sortie de gaz de combustion d'une chaudière fournissant de la vapeur, ou un fluide thermique ou de l'eau chaude, - ou à la sortie de gaz de combustion d'un moteur thermique à biogaz, - ou à la sortie de gaz de combustion issus de la combustion de boues brutes. Avantageusement, les moyens d'injection des gaz chauds dans la couche liquide sont situés à une profondeur comprise entre 500mm et 600mm environ, au-dessous du niveau supérieur de la couche. Les moyens pour injecter les gaz peuvent comprendre au moins une conduite et une buse souples propres à s'aplatir et à se fermer en l'absence d'injection de gaz. Les moyens d'injection peuvent comprendre au moins une conduite, en particulier souple, fixée sur une paroi verticale du bassin, la ou les buses d'injection étant dirigées vers le bas, ou au moins une conduite perforée, rigide ou souple, prévue en fond de bassin. Les conduites perforées pour injecter les gaz peuvent être maintenues à l'extrémité inférieure d'un cadre support, mobile verticalement, et une structure externe peut recouvrir le bassin. Des dispositifs de distribution de buées ou de gaz peuvent être intégrés dans des tuyauteries d'eaux usées ou au fond de canaux de circulation des effluents situés en amont des bassins. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est un schéma simplifié d'une station d'épuration d'eaux usées mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Fig. 2 est un schéma explicatif du transfert de chaleur par 30 condensation de la vapeur d'eau contenue dans des bulles de gaz formées dans un effluent. Fig. 3 est une coupe verticale schématique d'un bassin de bullage avec un dispositif d'injection de gaz ou de buées fixé sur une paroi verticale. Fig. 4 est une coupe schématique verticale d'un bassin de bullage 35 avec injection du gaz depuis le fond du bassin. Fig. 5 est une coupe schématique d'un bassin d'aération dans lequel sont injectés des gaz ou des buées pour un réchauffage de l'effluent. Fig. 6 est un détail de Fig. 5 à plus grande échelle illustrant une phase d'injection de gaz par une conduite souple gonflable. Fig. 7 illustre un détail de Fig. 5, à plus grande échelle, montrant une conduite souple aplatie, lorsqu'il n'y a pas injection de gaz. Fig. 8 est une vue de dessus d'un bassin de bullage de forme rectangulaire de type canal. Fig. 9 est une coupe verticale longitudinale du bassin de Fig. 8. Fig. 10 est une coupe verticale transversale du bassin de Fig. 9. Fig. 11 est une vue de dessus d'un bassin de bullage de forme cylindrique.

Fig. 12 est une coupe verticale diamétrale du bassin de Fig. 11. Fig. 13 est une coupe verticale d'une variante du bassin de bullage selon l'invention, en fonctionnement, et Fig. 14 montre semblablement à Fig. 13 le bassin de bullage en position de nettoyage et de maintenance.

En se reportant aux dessins, notamment à Fig. 1, on peut voir le schéma d'une station d'épuration d'eaux usées, urbaines ou industrielles, qui arrivent par une conduite 1 dans une unité de traitement primaire 2, notamment constituée par un équipement de décantation, ou de flottation, ou de filtration. Les effluents arrivant par la conduite 1 peuvent avoir été soumis au préalable à un prétraitement de dégrillage ou de dessablage. L'unité de traitement primaire 2 délivre, sur une sortie reliée à une conduite 3, des boues épaissies d'une teneur en matières en suspension MES généralement comprise entre 2 et 6 %, soit 20 à 60 g/L de MES. Une autre sortie de l'unité 2 délivre la fraction de l'effluent séparée des boues dans une conduite 4. Cette conduite 4 est reliée à l'entrée d'une unité de traitement secondaire 5, notamment une unité de traitement biologique. La station d'épuration comporte en outre au moins un digesteur 6 pour la production de biogaz par fermentation de boues produites par différentes unités de traitement de la station. Le biogaz produit par le digesteur 6 est généralement soumis, en sortie, à un traitement pour réduire la teneur en composés indésirables, en particulier hydrogène sulfuré H25. Le biogaz, ainsi traité, pour partie est dirigé par une conduite 7 vers au moins une chaudière 8 qui délivre un gaz chaud, notamment de l'air chaud, envoyé par une conduite 9 dans un sécheur thermique 10, principalement pour le séchage des boues. Les gaz de combustion de la chaudière 8 sont évacués, au moins pour partie, par une conduite 11. Le biogaz produit par le digesteur 6 peut également être dirigé, pour partie, par une conduite 12 vers un moteur à combustion 13 assurant l'entraînement de charges diverses, notamment un générateur électrique. Les boues de l'unité de traitement secondaire 5 sont évacuées, au moins en partie, par une conduite 5a, afin d'alimenter le digesteur 6. Les sécheurs thermiques de boues, tels que le sécheur 10, ont pour objet de porter la siccité des boues, d'environ 25-30 % en sortie de déshydratation (non représentée), à 80-90 % en sortie du sécheur thermique, ceci afin de pouvoir les stocker puis de les valoriser vers des filières agronomiques ou énergétiques en substitution à de l'énergie fossile. Les procédés de séchage consomment de l'énergie du fait que la chaleur d'évaporation de l'eau en vapeur est de 627 Wh/kg à pression atmosphérique. A cela, s'ajoute la chaleur sensible d'élévation en température des boues et les pertes thermiques diverses. De ce fait, le ratio de consommation énergétique moyen d'un sécheur thermique de boues varie entre 800 et 1000 kWhth/t de H20 évaporée (kWhth signifie kilowattheure thermique, et t = tonne). La chaleur consommée par les sécheurs de boues est en majeure partie transférée dans des buées très humides qui s'échappent du sécheur par une conduite 10a, à une température variable selon les technologies, généralement comprise entre 50°C et 120°C.

La chaleur sensible des buées ne représente qu'une part relativement faible de la chaleur totale des buées ; la chaleur latente qui est prépondérante ne peut être récupérée que par condensation à une température inférieure à la température de rosée des buées. Des exemples de chaleur sont donnés pour bien différencier la chaleur sensible de la chaleur latente. Exemples de chaleur sensible : - eau tiède en sortie des centrifugeuses d'un digesteur anaérobie de boues ; - eau chaude sur un cogénérateur de moteur à gaz sur biogaz d'un digesteur ; - chaleur des hydrocondenseurs d'un cogénérateur. Exemples de chaleur latente : La chaleur latente correspond à un changement de phase entre vapeur et liquide. De la chaleur latente est présente : - dans les gaz de combustion des boues lorsque l'incinération est située in situ, c'est-à-dire dans la station d'épuration. - dans les buées en sortie des sécheurs, à moyenne ou haute température (supérieure à 150°C), qui contiennent de la vapeur d'eau.

L'énergie latente "invisible" est souvent bien supérieure à la chaleur sensible mesurable et, généralement, cette énergie latente est perdue car son utilisation est relativement difficile.

Selon l'invention, la station d'épuration comporte au moins un bassin 14 de bullage pour le réchauffage des boues, notamment avant leur injection dans le digesteur 6. L'effluent liquide présent dans le ou les bassins de bullage 14 est constitué par des boues primaires introduites par la conduite 3 en provenance de l'unité 2 et/ou par des boues secondaires introduites par la conduite 5a en provenance de bassins d'aération 5. Ces boues présentent une concentration en matières en suspension généralement comprise entre 2 et 6 %, soit 20 à 60 g/L, et remplissent un volume 15 à l'intérieur du bassin 14. Les buées de séchage des boues arrivant par la conduite 10a, ou des gaz de combustion provenant de la chaudière 8 par la conduite 11, ou du moteur 13 par la conduite 13a, sont injectés directement dans le volume de boues du bassin 14. Les gaz ou buées injectés peuvent provenir de différents équipements et, le cas échéant, peuvent être associés dans un même bassin de réchauffage 14 comme schématisé sur Fig. 1. Il peut s'agir : - de buées en sortie de sécheur de boues, - de gaz de combustion du biogaz, provenant de chaudières produisant de la vapeur, ou un fluide thermique, ou de l'eau chaude, - de gaz de combustion issus de moteurs thermiques à biogaz, - de gaz de combustion issus de la combustion de boues brutes. Fig. 2 illustre schématiquement le réchauffage de l'effluent liquide par une bulle 16 de gaz chargé de vapeur d'eau, injecté à une distance D au-dessous du niveau supérieur L de l'effluent. La distance D est suffisante, notamment de l'ordre de 600 mm, pour permettre l'échange calorifique complet entre les gaz de la bulle 16 et l'effluent liquide. A titre d'exemple non limitatif, les gaz sont introduits à 120° C sous la forme de bulles 16 qui montent dans l'effluent 15. La température de la bulle diminue jusqu'à atteindre la température de saturation en vapeur d'eau. La bulle qui a cédé de la chaleur diminue de taille pour devenir la bulle 16a. La bulle continue à se refroidir en montant avec condensation de la vapeur saturée pour donner une bulle 16b de plus petite dimension. La condensation de la vapeur assure un réchauffage efficace de l'effluent puisque la chaleur latente de buées saturées à 90°C représente environ quarante-deux fois la chaleur totale de l'air sec à 90°C. La bulle continue à monter en se diluant dans le mélange dont la température peut être de l'ordre de 50°C, jusqu'à 60°C, en partie supérieure. Au voisinage du niveau L, la bulle 16c contient surtout des incondensables qui sont évacués par une conduite 17, vers une unité de désodorisation, non représentée. Fig. 3 illustre une distribution des gaz, dans le volume d'effluent 15, à l'aide d'au moins une rampe d'injection 18 qui est maintenue contre une paroi verticale du bassin sans être placée au fond du bassin. La rampe 18 comporte des buses d'injection 19 orientées vers le fond du bassin. La rampe 18 peut se trouver à une distance moyenne d'environ 600 mm sous la surface L du liquide, ce qui permet de réduire significativement la pression des surpresseurs assurant l'injection des buées chaudes, et de réduire la puissance électrique absorbée. Le volume intérieur du bassin 14 est fermé, en partie supérieure, par une paroi 14a.

Les buées chaudes, chargées en humidité, dont la température est généralement comprise entre 40°C et 120°C, injectées par la rampe 18 dans le volume d'effluent 15, après avoir cédé leur chaleur sensible et surtout leur chaleur latente de condensation à l'effluent 15, sont évacuées en partie supérieure par la conduite 17 sous forme de buées saturées refroidies et d'incondensables. Fig. 4 illustre une variante de réalisation de l'injection des gaz dans le bassin 14 de bullage. L'injection est assurée dans le fond du bassin 14 à l'aide de tubes 18a, parallèles, munis d'orifices répartis sur la longueur de leurs génératrices pour générer des bulles de gaz chargés de vapeur d'eau qui se condensent dans l'effluent 15. Le niveau supérieur L de l'effluent, dans le bassin 14, selon Fig. 4, est à une distance verticale D d'environ 600 mm par rapport aux tubes 18a. L'espace A compris entre le niveau supérieur L de l'effluent et la paroi supérieure 14a du bassin constitue un ciel de vapeur et d'incondensables, 30 évacués par la conduite 17 qui débouche dans cet espace A. La condensation de la vapeur d'eau s'effectue dans l'effluent 15. Fig. 5 est une coupe schématique d'un bassin d'aération 20 de boues constituant également un bassin de bullage 14. Les gaz chauds chargés de vapeur d'eau sont injectés par au moins une rampe d'injection 18 semblable 35 à celle de Fig. 3, fixée sur une paroi verticale du bassin. Le gaz saturé, à une température de 50°C à 90°C, est dispersé en direction du fond du bassin et les bulles de gaz chargées de vapeur d'eau remontent vers la surface L dans une zone 21 de condensation où la chaleur latente de la vapeur d'eau est transmise à l'effluent. La température du liquide dans le bassin 20 peut être comprise entre 100 et 25°C. Les gaz refroidis sont évacués suivant le sens de la flèche 22. Fig. 6 est un détail à plus grande échelle de la rampe d'injection 18 formée par une manche souple dont la forme cylindrique est assurée par la pression des gaz, distribués dans le liquide par une buse 19 également souple, dirigée vers le fond comme indiqué par la flèche F1. La rampe 18 est maintenue sur une paroi verticale du bassin par un support 23 prévu au niveau de la buse 19.

A l'arrêt, lorsque l'injection de gaz cesse, la manche souple 18 s'aplatit comme illustré sur Fig. 7, de la même façon qu'une baudruche, sous l'effet de la pression de l'effluent. La buse souple 19 se ferme également en l'absence d'injection de gaz. La capacité de la rampe 18 et de la buse 19 à s'aplatir et à se fermer en l'absence d'injection de gaz permet d'éviter le colmatage des orifices d'injection de gaz, et d'assurer un nettoyage régulier du dispositif d'injection sans avoir à effectuer une extraction hors du milieu liquide. De préférence, de nombreux orifices d'injection de gaz dans le bassin de bullage sont réalisés conformément aux Fig. 6 et 7.

Fig. 8 à 10 illustrent une variante de réalisation d'un bassin de bullage 14.1 de forme rectangulaire de type canal. Les parois du bassin sont calorifugées. Comme visible sur Fig. 9, le bassin est fermé en partie supérieure par une paroi horizontale 24 comportant des ouvertures 25 équipées de panneaux coulissants ou rabattables 26 pour fermer ou libérer ces ouvertures selon les besoins. Le niveau L de l'effluent dans le bassin reste à distance de la paroi supérieure 24 pour réserver l'espace A définissant le ciel du bassin de bullage. L'alimentation en boues froides s'effectue en partie supérieure comme indiqué par les flèches 27. Le fond 28 du bassin est en pente depuis la zone située à la verticale de l'alimentation en boues froides, jusqu'à l'extrémité opposée où la sortie 29 des boues réchauffées est prévue en partie basse. Comme visible sur Fig. 10, le fond 28 présente, en section transversale, une forme en V aplati ouvert vers le haut. Ce fond 28 avec profil en pente permet une évacuation naturelle des dépôts organiques et minéraux par la sortie 29 sur laquelle est branchée une conduite 30 de vidange du bassin.

L'injection des gaz chauds ou buées chargés en vapeur d'eau est assurée à l'aide de tubes 31 perforés répartis sur le fond 28, disposés suivant le sens de la longueur et selon l'inclinaison du fond, en étant sensiblement parallèles. Les tubes perforés 31 sont alimentés en parallèle en gaz chauds par une conduite 32 raccordée au refoulement d'un surpresseur 33, notamment centrifuge. L'entrée du surpresseur reçoit par une conduite 34 des gaz chauds, notamment les buées de séchage des boues provenant du sécheur 10, ou des gaz de combustion de gaz naturel ou de biogaz. La hauteur d'effluent dans le bassin 14.1 est d'environ 600 mm. Les incondensables et les buées résiduelles sont évacués par la conduite 17 qui débouche dans le ciel A du bassin. Fig. 11 et 12 illustrent une variante de bassin de bullage 14.2 de forme cylindrique, d'axe vertical. Le fond 28.2 du bassin est en forme de cône évasé tournant sa concavité vers le haut. La sortie 29.2 des boues réchauffées est prévue au centre du fond du bassin. L'injection des buées ou des gaz chauds en fond de bassin est assurée par des tubes perforés 31.2, alimentés en parallèle par une conduite 32.2.

Les bassins de bullage 14, 14.1, 14.2 peuvent être réalisés en divers matériaux, notamment en béton, ou en matière plastique, ou en métal, ou en résine SVR (stratifié verre-résine). L'alimentation en boues froides du bassin 14.2 s'effectue en partie supérieure comme indiqué par les flèches 27.2 sur Fig. 11. Le bassin 14.2 peut être également couvert comme le bassin 14.1. Après vidange des bassins, les équipements internes peuvent être nettoyés et remplacés. Les Fig. 13-14 illustrent une autre variante 14.3 du bassin de bullage semblable à celui des Fig. 8-10, avec une forme rectangulaire et un fond 28.3 incliné, avec conduite de sortie 29.3 en extrémité inférieure. Les conduites ou manches 31.3 de distribution des gaz sont en matériau perforé souple ou rigide, et sont situées au voisinage du fond 28.3, sensiblement parallèles à ce fond, lorsqu'elles se trouvent en position de fonctionnement et d'injection des buées dans l'effluent 15. Les conduites 31.3 sont maintenues à l'extrémité inférieure d'un cadre support 35, mobile verticalement, suspendu à des câbles 36 de palans électriques 37. Ces palans 37 sont installés en partie haute d'une structure externe 38 recouvrant le bassin 14.3. Deux panneaux de toit 39 sont prévus pour fermer ce bassin, ces panneaux pouvant être ouverts en "papillon", c'est-à-dire que chaque panneau couvre une moitié du bassin et les panneaux peuvent s'ouvrir en tournant en sens opposés autour d'axes géométriques parallèles. La structure 38 peut être métallique, notamment en aluminium ou en acier galvanisé, et constitue un bardage externe évitant les nuisances olfactives. Les conduites 31.3 sont alimentées en parallèle à partir d'un collecteur de distribution de buées 32.3 qui est lié au cadre mobile 35 de manière à se déplacer verticalement avec ce dernier. On retrouve en partie inférieure du bassin une conduite de vidange 30 branchée sur la sortie 29.3 et en partie haute la conduite 17 d'évacuation des incondensables et des buées résiduelles. Lorsque les panneaux de toit 39 sont en position de fermeture, comme illustré sur Fig. 13, les câbles 36 traversent des passages prévus dans 10 ces panneaux En fonctionnement, les différents éléments du bassin de bullage 14.3 occupent les positions représentées sur Fig. 13. Les distributeurs de buées 31.3 se trouvent au voisinage du fond du bassin, les câbles 36 étant déroulés à cet effet. Les panneaux de toit 39 sont en position de fermeture. Les 15 buées ou gaz chargés de vapeur d'eau arrivent dans le collecteur 32.3 comme schématisé par la flèche F3, et sont distribués dans le bassin 14.3 pour former des bulles chargées de vapeur d'eau qui se condensent dans l'effluent 15. Pour le nettoyage et la maintenance du bassin 14.3, les panneaux de toit 39 sont ouverts et ne sont plus visibles selon le schéma de Fig. 14. Les 20 câbles 36 sont enroulés pour soulever verticalement le cadre support 35 de sorte que les conduites 31.3 sont soulevées au-dessus du niveau de l'effluent 15, avant même que le bassin 14.3 ne soit vidangé. Les opérations de nettoyage et de maintenance des conduites 31.3, ainsi que du bassin 14.3 se trouvent facilitées.

25 L'invention présente de nombreux avantages dont les principaux sont énumérés ci-après : - préchauffage des boues épaissies en amont des digesteurs, avec réduction de la consommation d'énergie pour leur réchauffage à 40°C ou 55°C ; - réduction importante de la consommation énergétique des digesteurs 30 conduisant à une autonomie énergétique de la station d'épuration ; - augmentation de la capacité de traitement des unités de traitement biologique existantes ; - maintien de l'efficacité du procédé de traitement biologique dans les pays froids ou en période hivernale par un apport de chaleur dans les bassins 35 d'aération ; - récupération de la chaleur latente et sensible de différents procédés thermiques, et réduction de la consommation électrique des systèmes de refroidissement tels qu'aérocondenseurs, aéroréfrigérants ; - amélioration du bilan gaz carbonique CO2 global de la station d'épuration ; - lavage des buées et des fumées de combustion avant leur diffusion dans le milieu atmosphérique via la désodorisation ; - équipements mécaniques simples et éprouvés avec conduites en acier inoxydable calorifugées ou SVR et ventilateurs de transfert à moyenne pression statique d'environ 800 daPa ; - réduction de la surface de filtres à membrane, ayant à traiter les effluents réchauffés, du fait de la réduction de la viscosité des effluents dont la température a été élevée.

Claims (23)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de réchauffage de boues ou d'eaux de station d'épuration d'eaux usées, laquelle station comporte au moins un équipement dégageant des gaz chauds ou des buées chargés en vapeur d'eau, caractérisé en ce que les boues ou les eaux à réchauffer sont collectées dans un bassin ou une conduite selon une couche liquide (15), et des gaz chauds ou des buées chargés en vapeur d'eau provenant de l'équipement de la station sont injectés dans la couche liquide, au-dessous du niveau supérieur (L), de manière à former des bulles (16) et à réchauffer les boues ou les eaux non seulement par transfert de la chaleur sensible des gaz mais aussi par transfert de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les boues ou les eaux sont collectées dans un bassin de bullage (14, 14.1, 14.2, 14.3).
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche liquide présente une profondeur au moins égale à 30cm.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les boues à réchauffer sont des boues épaissies, en particulier présentant une concentration en MES comprise entre 2% et 6%, qui sont dirigées dans le bassin de bullage (14, 14.1, 14.2, 14.3).
5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre pour le préchauffage de boues en amont d'au moins un digesteur (6) , en particulier pour porter les boues à une température de 40°C à 55°C, entraînant une réduction de la consommation d'énergie pour le réchauffage des boues épaissies dans un digesteur.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour le réchauffage d'eaux à traiter en amont d'au moins un bassin d'aération, ou dans ce bassin (20).
7. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les gaz injectés dans le bassin de bullage (14, 14.1, 14.2, 14.3) sont constitués par des buées en sortie d'un sécheur thermique (10), et/ou des gaz de combustion de biogaz provenant d'une chaudière (8) fournissant de la vapeur, ou un fluide thermiqueou de l'eau chaude, et/ou des gaz de combustion issus d'un moteur thermique à biogaz (13), et/ou des gaz de combustion issus de la combustion de boues brutes.
8. 8. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'injection des gaz chauds ou des buées dans l'effluent s'effectue à une profondeur comprise entre 500mm et 600mm environ, au-dessous du niveau supérieur (L) de la couche liquide.
9. 9. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'injection a lieu à partir d'au moins un conduit (18) fixé sur une paroi verticale du bassin, l'injection étant dirigée vers le bas, ou d'au moins un conduit perforé (18a, 31,31.2, 31.3) prévu en fond de bassin.
10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le ou chaque conduit (18) est souple ainsi que des buses d'injection (19), de manière à se fermer lorsqu'il n'y a pas injection de gaz.
11. 11. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué au réchauffage d'eaux usées directement dans des conduites situées en amont de stations d'épuration, ou en amont d'un équipement utilisateur de chaleur, notamment lors de l'utilisation de réseaux d'eaux usées comme réseaux de chaleur à basse température, auquel cas les gaz chauds chargés de vapeur d'eau sont injectés dans les conduites d'eaux usées, notamment en fond de ces conduites.
12. 12. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué au réchauffage de bassins ou photo bioréacteurs de culture de micro-algues.
13. 13. Station d'épuration d'eaux usées pour mettre en oeuvre un procédé selon la revendication 1 ou 2, comportant au moins un équipement (8, 10, 13) dégageant des gaz chauds ou des buées contenant de la vapeur d'eau, caractérisée en ce qu'elle comporte un bassin de bullage (14,
14. 14.2, 14.3), où les boues ou les eaux à réchauffer sont collectées selon une couche liquide (15) et au moins une conduite (10a, 11) pour des gaz chauds ou buées avec vapeur d'eau provenant de l'équipement de la station, et des moyens (18, 31, 31.2, 31.3) pour injecter les gaz chauds ou buées avec vapeur d'eau dans la couche liquide, au-dessous du niveau supérieur (L), de manière à former desbulles et à réchauffer les effluents non seulement par transfert de la chaleur sensible des gaz mais aussi par transfert de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau. 14. Station d'épuration selon la revendication 13, caractérisée en ce que les parois du bassin de bullage (14, 14.2, 14.3) sont calorifugées.
15. 15. Station d'épuration selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une conduite (3, 5a) pour diriger les boues à réchauffer dans le bassin de bullage, au moins une conduite (10a, 11, 13a) pour les gaz chauds ou les buées avec vapeur d'eau et des moyens (18, 31, 31.2, 31.3) pour injecter les gaz ou les buées dans le bassin de bullage au-dessous du niveau supérieur des boues.
16. 16. Station d'épuration selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisée en ce que le bassin de bullage (14, 14.2, 14.3) est situé en amont d'un digesteur (6) pour le préchauffage de boues destinées à ce digesteur.
17. 17. Station d'épuration selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisée en ce que la station comporte des moyens pour assurer un réchauffage d'eaux à traiter en amont d'un bassin d'aération, ou pour assurer l'injection de gaz chauds avec vapeur d'eau directement dans le bassin d'aération (20).
18. 18. Station d'épuration selon la revendication 15, caractérisée en ce que les conduites (10a, 11, 13a) dirigeant les gaz chauds dans le bassin de bullage (14) sont reliées à la sortie de buées d'un sécheur thermique de boues (10), ou à la sortie de gaz de combustion d'une chaudière (8), ou à la sortie de gaz de combustion de moteurs thermiques à biogaz (13), ou à la sortie de gaz de combustion issus de la combustion de boues brutes.
19. 19. Station d'épuration selon l'une quelconque des revendications 13 à 18, caractérisée en ce que les moyens d'injection (18, 31) des gaz chauds dans la couche liquide sont situés à une profondeur comprise entre 500mm et 600mm environ, au-dessous du niveau supérieur de la couche.
20. 20. Station d'épuration selon la revendication 19, caractérisée en ce que les moyens pour injecter les gaz comprennent au moins une conduite (18) et unebuse (19) souples propres à s'aplatir et à se fermer en l'absence d'injection de gaz.
21. 21. Station d'épuration selon la revendication 20, caractérisée en ce que la conduite souple (18) est fixée sur une paroi verticale du bassin, et la ou les buse(s) (19) est ou sont dirigée (s) vers le bas.
22. 22. Station d'épuration selon la revendication 19, caractérisée en ce que les moyens pour injecter les gaz comprennent au moins une conduite perforée, rigide ou souple (31, 31.2, 31.3) prévue en fond de bassin.
23. 23. Station d'épuration selon la revendication 22, caractérisée en ce que les conduites perforées (31.3) pour injecter les gaz sont maintenues à l'extrémité inférieure d'un cadre support (35), mobile verticalement, et en ce qu'une structure externe (38) recouvre le bassin (14.3).