« Réacteur de dégradation biologique thermophile des boues » "Thermophilic biological degradation reactor for sludge"
La présente invention concerne un réacteur de dégradation biologique thermophile des boues extraites des installations de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines ou industrielles par dégradation enzymatique .The present invention relates to a thermophilic biological degradation reactor for sludge extracted from biological treatment plants for urban or industrial wastewater by enzymatic degradation.
On sait que les réactions biologiques sont universellement mises en œuvre pour assurer le traitement de la pollution biologique, domestique ou industrielle, et qu'elles conduisent à la production de quantités importantes de biomasse (boues biologiques) résultant de la croissance des espèces bactériennes utilisées pour la dégradation des matières organiques résiduaires. Les réglementations récentes relatives aux restrictions concernant la mise en décharge de ces boues biologiques et l'obligation de les traiter et de les stabiliser, conduisent à mettre en œuvre des techniques de Réduction de la Production des Boues (en abrégé RPB) dont l'importance dans les orientations techniques et économiques des industries de l'Environnement est croissante.We know that biological reactions are universally implemented to treat biological, domestic or industrial pollution, and that they lead to the production of significant quantities of biomass (biological sludge) resulting from the growth of the bacterial species used for degradation of residual organic matter. Recent regulations relating to restrictions on the landfill of this biological sludge and the obligation to treat and stabilize it, lead to the implementation of techniques for Reducing Sludge Production (abbreviated RPB), the importance of which in the technical and economic directions of the Environment industries is increasing.
L'Homme du métier dispose de très nombreuses technologies pour réduire la production des boues extraites des installations de traitement biologique des
eaux résiduaires urbaines ou industrielles, ces technologies allant des techniques d'incinération aux procédés d'hydrolyse enzymatique endogène, en passant par le compostage naturel ou thermique et l'hydrolyse oxydative avec ou sans altération physique des membranes cellulaires .Those skilled in the art have many technologies to reduce the production of sludge extracted from biological treatment facilities for urban or industrial wastewater, these technologies ranging from incineration techniques to endogenous enzymatic hydrolysis processes, including natural or thermal composting and oxidative hydrolysis with or without physical alteration of cell membranes.
Des études récentes concernant la RPB montrent que les procédés mettant en œuvre des techniques biologiques de RPB ont de plus en plus la faveur des professionnels de l'Environnement en raison, d'une part de l'efficacité des traitements et, d'autre part de la modicité des coûts opératoires desdites techniques biologiques .Recent studies concerning BPS show that the processes using biological techniques of BPS are more and more favored by environmental professionals due, on the one hand to the effectiveness of the treatments and, on the other hand the low operating costs of said biological techniques.
L'expérience dans ce domaine révèle cependant que ces techniques sont encore insuffisamment optimisées et qu'il reste à résoudre de nombreux problèmes, en particulier en ce qui concerne l'exploitation des réacteurs. Parmi ces problèmes techniques à résoudre, on peut citer notamment les suivants :Experience in this field, however, reveals that these techniques are still insufficiently optimized and that many problems remain to be resolved, in particular with regard to the operation of reactors. Among these technical problems to be solved, the following may be mentioned in particular:
- la consommation d'énergie thermique et mécanique des systèmes d'agitation dont l'ordre de grandeur est de- the thermal and mechanical energy consumption of agitation systems whose order of magnitude is
100 Watts/m3 ;100 Watts / m 3 ;
- la régulation de la quantité d'oxygène nécessaire aux bactéries assurant la dégradation des matières organiques résiduaires ; - la régulation de la température des réacteurs ;- regulation of the quantity of oxygen necessary for bacteria ensuring the degradation of residual organic matter; - regulating the reactor temperature;
- le contrôle des phénomènes de moussage et- control of foaming phenomena and
- la sélection et l'activation des bactéries spécifiques (par exemple Bacillus stearothermophilus) en condition de microaérophilie . La présente invention se propose donc d'apporter un réacteur qui résout notamment les problèmes techniques ainsi mentionnés.
En conséquence, cette invention concerne un réacteur de dégradation biologique thermophile des boues extraites des installations de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines ou industrielles, par dégradation enzymatique, caractérisé en ce qu'il comporte une agitation physique, par injection de gaz, de l'effluent qu' il contient et des moyens de régulation des apports en oxygène en fonction des besoins spécifiques de la biomasse assurant la dégradation des matières organiques résiduaires, cette régulation des apports en oxygène étant indépendante de l'agitation de l'effluent par injection de gaz.- the selection and activation of specific bacteria (for example Bacillus stearothermophilus) in microaerophilic conditions. The present invention therefore proposes to provide a reactor which in particular solves the technical problems thus mentioned. Consequently, this invention relates to a thermophilic biological degradation reactor for sludge extracted from biological treatment plants for urban or industrial waste water, by enzymatic degradation, characterized in that it comprises physical agitation, by injection of gas, of the effluent that it contains and means for regulating the oxygen supply according to the specific needs of the biomass ensuring the degradation of the residual organic matter, this regulation of the oxygen supply being independent of the agitation of the effluent by injection of gas .
Selon une caractéristique de l'invention, le réacteur comporte, à sa partie supérieure, une sonde de mesure de la teneur du gaz en oxygène permettant de réguler la quantité d'oxygène apportée au système réactionnel, par action sur une vanne raccordée à l'alimentation en oxygène.According to a characteristic of the invention, the reactor comprises, at its upper part, a probe for measuring the oxygen content of the gas making it possible to regulate the quantity of oxygen supplied to the reaction system, by action on a valve connected to the oxygen supply.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le réacteur comporte un circuit de recyclage des gaz d'évent du réacteur, de façon à assurer un brassage de ce dernier ainsi qu'un réchauffage de l'effluent qu'il contient.According to another characteristic of the invention, the reactor includes a circuit for recycling the vent gases from the reactor, so as to ensure stirring of the latter as well as heating of the effluent that it contains.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent deux exemples de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins :Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the appended drawings which illustrate two embodiments thereof without any limiting character. In the drawings:
- la figure 1 du dessin représente de façon schématique un premier exemple de réalisation d'un réacteur selon l'invention et la figure 2 est également une représentation schématique d'un second exemple de réalisation.
Sur les figures, on a désigné par la référence 1 le réacteur dans lequel la suspension de boues à traiter, provenant par exemple d'une installation de traitement conventionnelle par boues activées, est introduite en 2, après un épaississement préalable, par l'intermédiaire d'un échangeur thermique 3, à circulation croisée avec l'effluent du réacteur 1 admis dans l' échangeur par l'intermédiaire d'une conduite 4.- Figure 1 of the drawing schematically shows a first embodiment of a reactor according to the invention and Figure 2 is also a schematic representation of a second embodiment. In the figures, the reference 1 designates the reactor in which the sludge suspension to be treated, for example coming from a conventional treatment plant using activated sludge, is introduced in 2, after prior thickening, by means of a heat exchanger 3, with cross circulation with the effluent from the reactor 1 admitted into the exchanger via a pipe 4.
On peut, selon l'invention, prévoir sur le circuit d'alimentation de l'effluent, un échangeur complémentaire 17 alimenté par de la vapeur de chauffage, pouvant être utilisé lors des phases de démarrage et/ou en appoint.It is possible, according to the invention, to provide on the effluent supply circuit, an additional exchanger 17 supplied with heating steam, which can be used during the start-up and / or back-up phases.
Selon l'invention, le réacteur 1 est soumis à une agitation par injection de gaz à l'aide d'un dispositif représenté schématiquement en 5 qui est équipé d'éléments répartiteurs 6 et qui est alimenté à partir d'une pompe- soufflerie 7.According to the invention, the reactor 1 is subjected to agitation by gas injection using a device shown diagrammatically in 5 which is equipped with distributor elements 6 and which is supplied from a blower pump 7 .
Une vanne 8 , raccordée à un moyen de stockage 9 d'oxygène (oxygène liquide ou air comprimé), assure l'apport en oxygène. Le réacteur comporte en outre, à sa partie supérieure, une sonde 10 de mesure de la teneur du gaz en oxygène qui permet de réguler, en fonction de besoins spécifiques de la biomasse contenue dans le réacteur, la quantité d'oxygène apportée au système réactionnel par l'intermédiaire de la vanne 8.A valve 8, connected to an oxygen storage means 9 (liquid oxygen or compressed air), provides the oxygen supply. The reactor further comprises, at its upper part, a probe 10 for measuring the oxygen content of the gas which makes it possible to regulate, as a function of specific needs of the biomass contained in the reactor, the quantity of oxygen supplied to the reaction system. via valve 8.
La quantité d'oxygène qui est apportée au système réactionnel par l'intermédiaire de la vanne 8 peut être également régulée par les moyens suivants : - une sonde de mesure du pH de la fraction liquide, mesure qui permet de détecter la variation de la concentration en dioxyde de carbone (lorsque cette concentration augmente, le pH diminue et vice-versa) ,
- une sonde de mesure du potentiel redox de la fraction liquide afin de le maintenir à un niveau de consigne souhaité etThe quantity of oxygen which is supplied to the reaction system via the valve 8 can also be regulated by the following means: - a probe for measuring the pH of the liquid fraction, a measurement which makes it possible to detect the variation in the concentration in carbon dioxide (when this concentration increases, the pH decreases and vice versa), - a probe for measuring the redox potential of the liquid fraction in order to maintain it at a desired reference level, and
- une sonde de mesure de la concentration d'oxygène dissous dans la fraction liquide, afin de la maintenir à un niveau de consigne souhaité.- a probe for measuring the concentration of dissolved oxygen in the liquid fraction, in order to maintain it at a desired set level.
Les deux exemples de réalisation illustrés respectivement par les figures 1 et 2 ne diffèrent que par le mode d'alimentation en oxygène ainsi que cela apparaît clairement sur ces figures.The two exemplary embodiments illustrated respectively in FIGS. 1 and 2 differ only in the mode of oxygen supply, as is clearly shown in these figures.
Le procédé de Réduction de Production de Boues par voie enzymatique mis en œuvre dans ce réacteur est du type décrit dans les publications EP 0 924 168 et 1 008 558. Ce procédé repose sur le développement d'une bactérie spécifique Bacillus stearothermophilus SPT 2-1. Sous sa forme non sporulée, cette bactérie produit en condition d'aérobiose ou de micro-aérobiose des enzymes tels que les protéases qui agissent sur les parois des organismes mésophiles contenus dans les boues activées. Le réacteur enzymatique 1 doit être maintenu à une température de consigne (entre 50 et 70°C) fixée de façon à permettre un développement optimal de la population bactérienne spécifique.The process for the reduction of sludge production by the enzymatic route implemented in this reactor is of the type described in publications EP 0 924 168 and 1 008 558. This process is based on the development of a specific bacterium Bacillus stearothermophilus SPT 2-1 . In its non-sporulated form, this bacterium produces under aerobic or micro-aerobic conditions enzymes such as proteases which act on the walls of mesophilic organisms contained in activated sludge. The enzymatic reactor 1 must be maintained at a set temperature (between 50 and 70 ° C) fixed so as to allow optimal development of the specific bacterial population.
Bien que selon l'invention, on effectue une récupération énergétique grâce à la présence de 1' échangeur à courant croisé 3, qui permet de préchauffer les boues alimentant le réacteur 1 à l'aide des boues extraites du réacteur par la conduite 4, le bilan thermique du système est déficitaire et il est donc nécessaire de prévoir un appoint de chaleur.Although according to the invention, energy recovery is carried out by virtue of the presence of the cross-current exchanger 3, which makes it possible to preheat the sludge supplying the reactor 1 using the sludge extracted from the reactor through line 4, the system thermal balance is in deficit and it is therefore necessary to provide additional heat.
En effet, les pertes thermiques du système se décomposent de la manière suivante :
• pertes par convection du réacteur et par les tuyauteries de l'installation ;In fact, the thermal losses of the system are broken down as follows: • losses by convection of the reactor and by the pipes of the installation;
• pertes par saturation en eau du gaz introduit dans le réacteur et • montée en température des boues d'alimentation préchauffées à la température de consigne fixée. A l'heure actuelle, les réacteurs enzymatiques mettant en œuvre un tel procédé RPB ont été conçus de la manière suivante : - appoint de chaleur par injection de vapeur dans les boues alimentant le réacteur et injection d'air surpressé par l'intermédiaire d'un moyen de répartition (plancher) ou d'un hydroéjecteur assurant la recirculation des boues du réacteur. Dans ces techniques connues, les évents du réacteur sont soit envoyés vers une unité de desodorisation (unité de desodorisation locale ou unité de la station de traitement) ou dans le bassin d'aération, soit rejetés à l'atmosphère. Une telle solution n'est pas satisfaisante tant sur le plan technique que sur le plan économique.• losses by water saturation of the gas introduced into the reactor and • temperature rise of the feed sludges preheated to the set temperature set. At the present time, the enzymatic reactors implementing such a RPB process have been designed as follows: - heat addition by injection of steam into the sludge supplying the reactor and injection of compressed air by means of a distribution means (floor) or a hydro-ejector ensuring the recirculation of the reactor sludge. In these known techniques, the reactor vents are either sent to a deodorization unit (local deodorization unit or unit of the treatment station) or in the aeration tank, or discharged into the atmosphere. Such a solution is not satisfactory both technically and economically.
Selon la présente invention, la limitation des pertes thermiques induites par l'injection de gaz est obtenue en recyclant les évents du réacteur, solution qui assure également un brassage de ce dernier, tout en maintenant, de façon indépendante l'apport d'oxygène nécessaire à la bonne marche du procédé.According to the present invention, the limitation of the heat losses induced by the injection of gas is obtained by recycling the vents of the reactor, a solution which also ensures mixing of the latter, while maintaining, independently, the necessary supply of oxygen. to the smooth running of the process.
A cet effet, le réacteur 1 selon l'invention comporte, en partie supérieure, une purge gazeuse 15 dont le débit est régulé à l'aide d'une vanne 11, par l'intermédiaire d'une sonde 12 de mesure de la pression gazeuse du réacteur. On prévoit un circuit 13 de recyclage des gaz d'évent, ce circuit comportant un
dévésiculeur 14 destiné à piéger les aérosols et les gouttelettes. Les gaz d'évent sont ensuite recyclés dans le réacteur 1 par l'intermédiaire de la conduite 16.To this end, the reactor 1 according to the invention comprises, in the upper part, a gas purge 15, the flow rate of which is regulated using a valve 11, by means of a pressure measurement probe 12 gas from the reactor. A circuit 13 for recycling the vent gases is provided, this circuit comprising a demister 14 intended to trap aerosols and droplets. The vent gases are then recycled to reactor 1 via line 16.
Les caractéristiques des réacteurs enzy atiques auxquels s'applique la présente invention sont les suivantes : temps de séjour hydraulique des boues dans le réacteur : de 24 à 48 heures ;The characteristics of the enzymatic reactors to which the present invention applies are as follows: hydraulic residence time of the sludge in the reactor: from 24 to 48 hours;
- volume utile du réacteur : 50 à 5000 m3 ; - température de fonctionnement : d'environ 50°C à environ 70 °C.- useful volume of the reactor: 50 to 5000 m 3 ; - operating temperature: from around 50 ° C to around 70 ° C.
Selon la présente invention, les débits minimaux de gaz nécessaires au brassage des réacteurs enzymatiques varient selon les dimensions de ces derniers de 4 à 10 Nm3/h.m2 de réacteur. Les besoins en oxygène pour maintenir l'activité de la population bactérienne spécifique sont compris entre 2 kg et 300 kg 02/h par réacteur suivant la taille. Le débit de recirculation des évents sera ainsi défini en fonction du débit minimal nécessaire au brassage et du débit de gaz (air, air enrichi en oxygène ou oxygène) nécessaire pour transférer dans le réacteur l'oxygène apporté au système réactionnel .According to the present invention, the minimum gas flow rates necessary for mixing the enzyme reactors vary according to the dimensions of the latter from 4 to 10 Nm 3 / hm 2 of reactor. The oxygen requirements to maintain the activity of the specific bacterial population are between 2 kg and 300 kg 0 2 / h per reactor depending on the size. The recirculation flow rate of the vents will thus be defined as a function of the minimum flow rate necessary for stirring and of the gas flow rate (air, air enriched with oxygen or oxygen) necessary to transfer the oxygen supplied to the reaction system into the reactor.
Parmi les avantages apportés par la présente invention, on peut citer notamment les suivants :Among the advantages provided by the present invention, the following may be mentioned in particular:
- une limitation du déficit thermique du procédé grâce à la recirculation des évents au sein du réacteur , une régulation dissociée de l'apport en oxygène nécessaire, pilotée par la mesure de paramètres physiques de la fraction liquide du réacteur (oxygène dissous, pH, redox) ou du gaz recirculé (teneur en oxygène) , adaptant
ainsi la concentration en oxygène dans le gaz aux besoins du procédé,- a limitation of the thermal deficit of the process thanks to the recirculation of the vents within the reactor, a separate regulation of the necessary oxygen supply, controlled by the measurement of physical parameters of the liquid fraction of the reactor (dissolved oxygen, pH, redox ) or recirculated gas (oxygen content), adapting thus the oxygen concentration in the gas to the needs of the process,
- la possibilité d'obtenir le transfert de la quantité d'oxygène souhaitée dans le réacteur indépendamment de la hauteur d'eau et des performances de transfert de l'organe de répartition, favorisant ainsi une distribution homogène du gaz au moyen de système robustes (cannes d'injection, plancher « moyennes bulles ») et limitant la création de mousses telle qu'elle se manifeste dans le cas des systèmes d'injection d'air sous forme de fines bulles,- the possibility of obtaining the transfer of the desired quantity of oxygen in the reactor regardless of the water height and the transfer performance of the distribution member, thus promoting a homogeneous distribution of the gas by means of robust systems ( injection canes, “medium bubble” floor) and limiting the creation of foam as it manifests in the case of air injection systems in the form of fine bubbles,
1 ' absence de pièces mécaniques en mouvement à l'intérieur du réacteur.1 absence of moving mechanical parts inside the reactor.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes .
It remains to be understood that the present invention is not limited to the exemplary embodiments described and shown above, but that it encompasses all variants thereof.