FR2573747A1 - Bassin a boues activees - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES TECHNIQUES D'EPURATION DE FLUIDES POLLUES. LE BASSIN FAISANT L'OBJET DE L'INVENTION EST CARACTERISE NOTAMMENT EN CE QU'IL EST EQUIPE DE DISPERSEURS D'AIR COMPRIME 6 PLACES DANS LE RESERVOIR DE MELANGE 4, DE CHAMBRES 17, 20 DE REGENERATION ET DE DESOXYGENATION DU MILIEU BACTERIEN, COMMUNIQUANT ENTRE ELLES ET EQUIPEES ELLES AUSSI DE DISPERSEURS D'AIR COMPRIME 18, LA CHAMBRE DE REGENERATION 17 ETANT EN COMMUNICATION AVEC LA SORTIE 14 DE BOUES A RECYCLER ET COMPORTANT UNE ENTREE 39 POUR LE MILIEU BACTERIEN, MISE EN COMMUNICATION AVEC LA ZONE TERMINALE 5 DU RESERVOIR DE MELANGE 4, DE LA CHAMBRE 20 DE DESOXYGENATION DU MILIEU BACTERIEN COMPORTANT UNE ENTREE 2 POUR LES EAUX RESIDUAIRES 1 ET UNE SORTIE 22 MISE EN COMMUNICATION AVEC LA ZONE INITIALE 3 DU RESERVOIR DE MELANGE 4. L'INVENTION PEUT ETRE UTILISEE DANS LES STATIONS D'EPURATION BIOLOGIQUE DES EAUX RESIDUAIRES MENAGERES OU URBAINES.

Description

La présente invention concerne le domaine de l'épu- ration des eaux résiduaires et a notamment pour objet un bassin à boues activées pour l'épuration biologique des eaux résiduaires ménagères et industrielles par boues activées.

L'invention peut être utilisée dans les stations d'épuration biologique des eaux résiduaires ménagères ou urbaines dans une plage étendue de débits, par exemple pour les moyennes et grandes localités.

L'invention peut aussi entre appliquée dans les stations d'épuration des eaux résiduaires industrielles contenant des polluants organiques se prêtant à l'oxydation biologique.

L'efficacité de l'invention est maximale quand elle est utilisée dans les stations d'épuration biologique des eaux résiduaires urbaines et industrielles à fortes concentrations en polluants organiques, quand le régime d'arrivée des eaux résiduaires est irrégulier et l'oxygène technique est un sous-produit des fabrications principales de l'entreprise.

Les bassins à boues activées sont les ouvrages les plus gros et dépensant le plus d'énergie dans les stations modernes d'aération. Dans les bassins à boues activées, qui sont des réservoirs réalisés le plus souvent en béton armé, les eaux résiduaires arrivant à l'épuration sont mélangées à des boues activées et soumises à une aération continue au cours de leur cheminement de la zone initiale à la zone terminale. Il s'ensuit que les microorganismes aérobies vivant dans les boues activées détruisent les polluants organiques par voie biologique, en épurant ainsi les eaux résiduaires. Ensuite ou sépare les eaux résiduaires épurées des boues activées, qui retournent à la zone initiale du bassin à boues activées, et le cycle d'épuration se répète.

L'efficacité de l'épuration dans les bassins à boues activées, tant au point de vue degré d'épuration qu'au point de vue stabilité des performances, est déterminée par une série de conditions et de facteurs, tels que la composition et les propriétés des eaux résiduaires, leur régime d'arrivée dans le bassin à boues activées, la concentration en boues activées dans le bassin et l'état fonctionnel des boues activées, le régime d'oxygène dans l'ouvrage, ainsi que la situation hydrodynamique dans le bassin, assurant la constance des paramètres essentiels du processus à tel ou tel degré aux divers points de l'ouvrage. Le régime d'arrivée des eaux résiduaires dans les bassins à boues activées est caractérisé par son irrégularité.La pratique de l'exploitation des bassins à boues activées a fait apparaître que, dans les conditions réelles, les proportions optimales entre les concentrations en boues activées, en polluants organiques et en oxygène dissous ne sont pas assurées, d'où l'instabilité de la qualité des eaux résiduaires épurées et les frais d'épuration relativement élevés.

La dissolution de l'oxygène dans le liquide entraîne de grandes dépenses d'énergie, car l'oxygène est un gaz difficilement soluble. Les facteurs déterminant l'efficacité de sa dissolution sont: la grosseur des bulles de gaz oxygène, la profondeur du bassin à boues activées, l'intensité du brassage, la durée du contact gaz-liquide, la température du liquide, etc. En pratique, pour chaque kilogramme d'oxygène dissous on dépense au moins 0,7 à 1kWh d'énergie électrique, ce qui dépasse fortement les valeurs optimales -et constitue au moins 30 à 40% de tous les frais d'exploitation pour l'épuration des eaux.

On connaît un dispositif destiné à l'épuration, notamment, des eaux résiduaires urbaines (demande de brevet français n0 248870 du 22.08.80, Cl Int. C02F 1/74; F03B 13/00).

Ce dispositif comprend un réservoir récepteur, une pompe pour le transfert des eaux résiduaires à partir d'un collecteur en vue de leur traitement, un mélangeur d'eaux résiduaires et un bassin à boues activées équipé de buses pour la dispersion d'oxygène technique ou d'air comprimé, ainsi qu'un séparateur de boues, adapté pour séparer les eaux résiduaires épurées des boues à recycler. Les eaux résiduaires venant du réservoir récepteur sont#mélangées avec les boues à recycler, et lé milieu bactérien obtenu est admis dans le bassin à boues activées à contre-courant, par r#apport aux bulles de gaz oxygène remontant à la surface, les eaux résiduaires épurées étant accumulées dans un réservoir récepteur.

Ce dispositif n'assure une épuration satisfaisante que d'eaux résiduaires à faible concentration, dont l'arrivée à la station d'épuration est suffisamment régulière. Dans les autres cas, les plus répandus dans la pratique, un tel dispositif n'assure pas le degré d'épuration requis, car la concentration de travail en boues activées dans le bassin est relativement faible et il n'y a pas de moyens permettant de la régler. Un autre inconvénient du dispositif considéré est l'abaissement notable de l'activité initiale des boues, résultant de leur sursaturation par les polluants organiques adsorbés et de l'absence de possibilité de régénération des boues à recycler. En outre, le mode d'utilisation de l'oxygène technique pour l'aération du milieu bactérien, mis en oeuvre -dans ce dispositif, entraîne des pertes sensibles inevitables d'oxygene à l'atmosphère.

Si l'on prend en compte le coût de production de l'oxygène technique, les frais d'épuration des eaux résiduaires dans l'installation considérée sont très élevés.

On connaît un dispositif pour l'épuration des eaux résiduaires, comprenant un bassin à boues activées et un séparateur de boues adapté pour séparer les eaux résiduaires épurées des boues à recycler (demande de brevet RFA n0 OS 3 045 158, C02F 3/12). Le bassin à boues activées est conventionnellement partagé en trois zones. Une zone initiale, équipée d'une conduite pour l'admission des eaux résiduaires et réalisée avec une couverture étanche sur laquelle sont montés un agitateur et deux ventilateurs de recyclage, l'un débitant les gaz d'échappement dans un disperseur monté sous l'agitateur pour le recyclage desdits gaz dans la zone initiale, et le second envoyant les gaz d'échappement dans un disperseur monté sous l'agitateur dans la seconde zone (intermédiaire), qui est en communication avec l'atmosphère.Dans la troisième zone (terminale), raccordée au séparateur de boues, l'aération s'effectue à l'aide d'un aérateur vertical, qui maintient les boues activées en suspension et introduit une quantité supplémentaire d'oxygène dissous, grâce à la création d'un contact développé entre le milieu bactérien et l'air atmosphérique.

Ce dispositif assure de grandes vitesse de dissolution de l'oxygène dans le milieu bactérien, mais il n'assure pas les vitesses correspondantes de sa consommation, car la concentration de travail en boues activées dans le bassin est relativement faible. Dans la période d'arrivée accrue d'eaux résiduaires, quand les charges sur les boues activées deviennent fortes, les fonctions des microorganisme aérobies se trouvent temporairement perturbées, de sorte que la qualité de l'épuration baisse et les boues activées perdent leur aptitude à décanter dans le séparateur de boues. En outre, la couverture étanche au-dessus de la zone initiale, réalisée sous la forme d'une structure porteuse, est un élément complique, tant en ce qui concerne sa réalisation qu'en ce qui concerne son exploitation. Le recyclage des gaz d'échappement qui s'accumulent sous la couverture étanche ne donne pas un effet sensible, car les gaz d'échappement contiennent, outre oxygène technique non utilisé, plus de 50% de gaz carbonique, qui est un produit de l'activité respiratoire des microorganismes vivant dans les boues activées. La teneur accrue du milieu bactérien en gaz carbonique, qui est inévitable en cas de recyclage des gaz d'echappement, freine le métabolisme des microorganismes et nuit à la qualité de 1' épuration.

On connaît un bassin à boues activées, comprenant un réservoir de mélange équipé de colonnes d'aération à jet d'eau et qui comporte une zone initiale dans laquelle sont placés des dispositifs d'entrée des eaux résiduaires et des boues activées, et une zone terminale dans laquelle se trouve la sortie du mélange bactérien, mise en communication avec un séparateur de boues à nappe mince, adapté pour séparer les boues à recycler du milieu bactérien et comportant une sortie pour les eaux résiduaires épurées et une sortie pour les boues à recycler, celle-ci étant raccordée à la conduite d'aspiration d'une pompe de circulation dont la conduite de refoulement est reliée aux colonnes d'aération à jet d'eau (certificat d'auteur URSS n0 920 005, Cl. Int.

C02F 3/12).

L'emploi d'un séparateur de boues à nappe mince permet, dans le cas de grandes quantités de boues à recycler, de maintenir en permanence une concentration accrue en boues activées, de l'ordre de 6 à 8 g/l, dans le réservoir à mélange.

Toutefois, le maintien de hautes concentrations en boues activées dans les périodes de faibles charges augmente les dépenses improductives d'oxygène de l'air pour l'auto-oxydation des boues activées, ce qui, en combinaison avec l'utilisation de colonnes d'aération fonctionnant suivant le principe de la capture de l'air atmoSphérique par un jet à chute libre et nécessitant le pompage de grandes quantités de boues à recycler, entraîne des dépenses improductives notables d'énergie électrique.

L'absence, dans le bassin à boues activées considéré, de dispositifs pour la régération des boues activées, dont le pouvoir de sorption baisse temporairement par suite de la métabolisation d'une partie des polluants organiques se trouvant dans les eaux résiduaires, ne permet pas d'utiliser d'une manière suffisamment complète le pouvoir oxydant des microorganismes actifs. Il en résulte que, afin d'éviter un abaissement sensible de la qualité des eaux résiduaires épurées, le volume du réservoir à mélange du bassin doit être augmente de 2 à 3 fois.

Le jet à chute libre de boues à recycler, issu des colonnes d'aération, n'est doué que d'un faible pouvoir de brassage. Afin que, dans le réservoir à mélange du bassin, il ne se forme ni zones stagnantes-, ni zones de dépôt des boues, la profondeur de travail du milieu bactérien ne doit pas dépasser 2 m, ce qui nécessite une augmentation des dimensions de l'ouvrage en plan, requiert de grands terrains pour la construction et augmente la dissipation de chaleur en saison froide. La marche des pompes hélices aspirant les boues à recycler au séparateur de boues et les eaux résiduaires à la cuve de distribution dans la période de fluctuation de l'arrivée des eaux résiduaires, a un caractère instable et provoque des variations aléatoires de la concentration en boues activées dans le réservoir à mélange.

On s'est donc proposé de créer un bassin à boues activées pour l'épuration des eaux résiduaires par boues activées, qui, grâce à sa conception et à des liaisons appropriées entre le réservoir à mélange, les colonnes à jet d'eau et le séparateur de boues à nappe mince, rendrait possible la création d'un flux de circulation du milieu bactérien, ainsi que la régulation de la concentration en boues activées en fonction de l'arrivée des eaux résiduaires, de pair avec un taux élevé d'utilisation de l'oxygène pour l'aération du milieu bactérien.

Ces buts sont atteints du fait que le bassin à boues activées, comprenant un réservoir à mélange équipé de colonnes d'aération à jet d'eau, qui comporte une zone initiale dans laquelle sont placés des dispositifs d'entrée des eaux résiduaires et des boues activées dans ledit réservoir à mélange, et une zone terminale dans laquelle se trouve la sortie pour le milieu bactérien, mise en communication avec un séparateur de boues à nappe mince adapté pour séparer les boues à recycler du milieu bactérien et ayant une sortie pour les eaux résiduaires épurées et une sortie pour les boues à recycler, celle-ci étant reliée à la conduite d'aspiration d'une pompe de circulation dont la conduite de refoulement est raccordée aux colonnes d'aération à jet d'eau, est caractérise-,d'après l'invention, en ce que le bassin à boues activées est équipé de disperseurs d'air comprimé, placés dans le réservoir à mélange, de chambres de régénération et de désoxygénation du milieu bactérien, communiquant entre elles, équipées elles aussi de disperseurs d'air comprimé, la chambre de régénération étant en communication avec la sortie pour les boues à recycler et comportant une entrée pour le milieu bactérien mise en communication avec la zone terminale du réservoir à mélange, et la chambre de désoxygénation du milieu bactérien comportant une entrée pour les eaux résiduaires et une sortie mise en communication avec la zone initiale du réservoir à mélange dans laquelle sont placées des colonnes d'aération à jet d'eau du type à contre-courant, chacune desquelles comporte une zone d'entrée convergente située à sa partie supérieure et dans laquelle est engagée la conduite de refoulement, équipée d'une tuyère, de la pompe de circulation, et une zone de sortie divergente située à sa partie intérieure, lesdites zones étant reliées entre elles par une zone à section constante dans laquelle est placé un disperseur de gaz oxygéné, ladite zone d'entrée comportant des lumières avec une cloche isolante de captage des gaz, fixée à la conduite de refoulement de la pompe de circulation de telle façon que sa tranche libre soit plongée dans le milieu bactérien, afin d'isoler ladite zone d'entrée du milieu ambiant, et la conduite d'aspiration de la pompe de circulation ayant deux voies, dont l'une est mise en communication avec la chambre de désoxygénation du milieu bactérien, et l'autre, avec la zone initiale du réservoir à mélange.

L'utilisation de chambres de régénération et de de soxygénation du milieu bactérien permet, d'abord, de rétablir rapidement les propriétés initiales des boues ac tivées, puis d'assurer un abaissement préliminaire de la concentration en oxygène dissous dans le mélange bactérien avant son admission à l'aération, par séjour de courte durée dans la chambre de désoxygénation, où l'on admet une partie des eaux résiduaires arrivant à l'épuration.La dé- soxygénation préliminaire du mélange bactérien, avant son refoulement par les pompes de circulation dans les colonnes jet d'eau, augmente de 1,5 à 2 fois son degré de saturation par l'oxygène au cours de l'aération, ce qui contribue à une utilisation plus efficace du gaz oxygéné.

L'emploi de colonnes d'aération à jet d'eau, dans la partie supérieure desquelles est engagée la conduite de refoulement, équipée d'une tuyère, de la pompe de circulation, et à la partie inférieure desquelles se trouve une zone de sortie divergente, permet de réaliser l'aération à contre-courant, de telle sorte que les bulles de gaz oxygéné en suspension, diminuant en diamètre et perdant leur vitesse initiale de remontée, se déplacent progressivement vers la partie inférieure où le processus de transfert de masse de l'oxygène au liquide s'achève Cela permet d'augmenter de plusieurs fois la durée du contact gaz-liquide, ce qui, à son tour, accroît fortement le taux d'utilisation de l'oxygène.

L'emploi d'une cloche de captage du gaz oxygéné, fi-xée à la conduite de refoulement de la pompe de circulation de telle façon que sa tranche libre soit plongée dans le milieu bactérien, en combinaison avec les lumières prévues dans la zone d'entrée des colonnes d'aération du type à contre-courant, permet de capter les bulles les plus fines de gaz non dissous entraînées hors de la colonne, et de réaliser la récupération par éjection à travers les lumières du gaz s'accumulant sous la cloche. Ceci permet de réduire à un minimum les pertes de gaz oxygéné à l'atmosphère et, en cas d'emploi, par exemple, d'oxygène technique, de rapprocher le taux de son utilisation de 100 %.

La division de la conduite d'aspiration en deux voies, dont l'une est mise en communication avec la chambre de régénération des boues activées par l'intermédiaire de la chambre de désoxygénation du milieu bactérien, et l'autre, avec la zone initiale du réservoir à mélange, assure une augmentation d'environ 2 à 3 fois de la concentration en boues activées dans le réservoir à mélange dans la période de croissance de la charge de traitement, ainsi que la régulation de la concentration en oxygène dissous dans la zone initiale, qui est la zone la plus chargée du réservoir à mélange. Ceci permet de réaliser une épuration biologique poussée et stable des eaux résiduaires, grâce au maintien de la proportion optimale entre les concentrations en boues activées et en polluants organiques.

il est avantageux que la plus grande section droite de la zone de sortie de la colonne d'aération à jet d'eau du type à contre-courant soit plus grande que la section droite de sa zone à section constante, sensiblement de 2 à 5 fois.

Au cours du transfert de masse de l'oxygène au liquide, la grosseur des bulles de gaz oxygéné en suspension dans le contre-courant liquide diminue de plusieurs fois. Il en résulte une diminution de leur vitesse de remontée libre de 2 à 5 fois, aussi se déplacent-elles vers la partie inférieure de la colonne à jet d'eau. Afin de prolonger le contact gaz-liquide, dont est tributaire l'efficacité de dissolution de l'oxygène, la zone de sortie de chacune des colonnes à jet d'eau à contre-courant est réalisée sous la forme d'un divergent à conicité de 1:2 à 1:5. Ceci donne la possibilité d'égaliser pratiquement la vitesse de circulation du mélange bactérien, dans toute section de la colonne d'aération à jet d'eau, avec la vitesse de remontée libre des bulles de gaz au cours de la dissolution de l'oxygène et de la diminution de leur diamètre jusuq'à 1 mm.Quand le diamètre des bulles de gaz devient inférieur à 1 mm, la circulation de l'oxygène à l'intérieur de la bulle s'affaiblit et la vitesse du processus de transfert de masse diminue; c'est pour cette raison qu'une conicité du divergent de la zone de sortie des colonnes supérieure à 1 : 5 est indésirable.

En cas d'alimentation des colonne d'aération à jet d'eau en air atmosphérique non enrichi ou faiblement enrichi par de l'oxygène technique, la grosseur des bulles de gaz ne diminue pas de plus de 1,5 fois, même après épuisement poussé de l'oxygène du gaz. C'est pourquoi, dans un tel cas, il est recommandé d'adopter pour le divergent de la zone de sortie une conicité sensiblement égale à 1:2.

Il est recommandé que la tranche libre de la cloche isolante ait un diamètre plus grand que celui de la zone de sortie, sensiblement de 1,5 à 3 fois.

Les fines bulles de gaz oxygéné entraînées vers l'extérieur à travers la zone de sortie divergente des colonnes d'aération à jet d'eau par l'écoulement de milieu bactérien recyclé, remontent à la surface et le gaz dégagé s'accumule sous la cloche isolante. La remontée la plus intense des fines bulles aura lieu dans la zone annulaire entourant la colonne d'aération à jet d'eau et dépassant le diamètre de la zone de sortie de 1,5 à 3 fois. Le diamètre recommandé pour la tranche libre de la cloche permettra doiic de capter, puis de réutiliser, pratiquement tout le gaz oxygéné qui n'aura pas été dissous dans le milieu bactérien.

Un effet favorable est obtenu quand la longueur de la zone de sortie divergente de la colonne est comprise entre 0,5 et 0,75 de la longueur de toute la colonne d'aération.

De telles proportions assurent un raccordement hydraulique progressif de la zone à section constante à la zone de sortie divergente, ainsi qu'une amélioration de la distribution des bulles de gaz de différents diamètres suivant la hauteur de la colonne, ce qui exclut, par exemple, l'échappement des grosses bulles hors de la colonne.

Il est recommandé que la zone de sortie soit équipée d'au moins une tuyère directrice conique perforée, disposée coaxialement à la zone de sortie et ayant la même conicité que cette zone de sortie.

L'emploi d'une tuyère directrice conique, de meme conicité que la zone de sortie, contribue à la formation, dans la colonne, de plusieurs écoulements annulaires à contre-courant de gaz et de liquide, ce qui assure une distribution uniforme des bulles de gaz dans la section droite de la colonne. La présence de perforations dans la tuyère, par exemple sous forme d'orifices de diverses configurations ou de fentes, stimule la circulation transversale des bulles dans la colonne, grâce à l'écoulement du milieu bactérien à travers les perforations pendant son mouvement descendant. Ceci assure une saturation uniforme et maximale du milieu bactérien, désoxygéné au préalable, en oxygène dissous, lors de son passage à travers les-co- lonnes d'aération à jet d'eau.

Grâce à une telle conception du bassin à boues activées et de sous-ensembles constitutifs, il devient possible d'assurer une épuration biologique complète et stable des eaux résiduaires urbaines et industrielles pratiquement pour tout régime d'arrivée à l'épuration, ainsi que de réduire notablement -les investissements et les frais d'exploitation.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels
- la figure 1 représente schématiquement une vue d'ensemble, en plan, d'un bassin à boues activées conforme à l'invention;
- la figure 2 est une vue détaillée de la colonne d'aération à jet d'eau du type à contre-courant;
- la figure 3 représente la variation de la vitesse v de remontée libre des bulles de gaz oxygéné en fonction de leur diamètre d.

Le bassin à boues activées (figure 1) comprend un dispositif 1 d'entrée des eaux résiduaires, sous la forme d'une auge 2 de distribution, disposée dans la zone initiale 3 d'un réservoir 4 à mélange. L'ange 2 de distribution est réalisée avec des orifices réglables.

Entre la zone terminale 5 et la zone initiale 3, des disperseurs 6 sont posés sur le fond du réservoir 4 à mélange. Ces disperseurs 6 sont raccordés par une conduite 7 d'air comprimé à une soufflante 8. La zone terminale 5 comporte une sortie 9 pour le milieu bactérien, mise en communication avec un séparateur 10 de boues à nappe mince, dans lequel sont placés un module il à nappe mince et un système d'auges collectrices 12, ce système étant relié à une sortie 13 pour les eaux résiduaires épurées. Le séparateur de boues à nappe mince comporte aussi une sortie 14 pour les boues à recycler, mise en communication avec une conduite 15 de boues en exces et avec une entrée 16 pour les boues à recycler, débouchant dans une chambre de régénération 17 qui est équipée d'un disperseur 18 raccordé à la conduite 7 d'air comprimé.

La chambre 17 de régénération est séparée par une chicane 19 d'une chambre contiguë 20 de désoxygénation du milieu bactérien.

Le dispositif d'entrée des eaux résiduaires 1, cons titué par l'auge 2 de distribution, est équipé d'un seuil 21 de débordement, séparant sa partie située dans la chambre 20 de désoxygénation d'avec sa partie située dans la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange. La chambre 20 de désoxygénation du milieu bactérien est équipée d'une sortie réalisée sous la forme d'un clapet 22 de non-retour.

Le bassin à boues activées est équipé d'une pompe 23 de circulation, dont la conduite 24 d'aspiration est raccordée par une première voie 25 à la chambre 20 de désoxygé- nation du milieu bactérien, et par une seconde voie 26, à la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange.

La conduite 27 de refoulement de la pompe 23 de circulation est raccordée à la partie supérieure de colonnes 28, 28', 28" d'aération à jet d'eau du type à contre-courant, installées dans la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange.

Le bassin à boues activées est également équipé d'une soufflante 29 de gaz oxygéné, dont la conduite 30 d'aspiration est à deux voies; l'une (31) de ces voies est en communication avec une source de gaz oxygéné de départ, tandis que la seconde 32 est raccordée à une conduite 33 de gaz oxygéné récupéré, mise en communication avec les colonnes 28.

La conduite 34 de refoulement de la soufflante 29 de gaz oxygéné est en communication avec un réservoir 35 d'accumulation, dont la conduite 36 de distribution, équipée d'une soupape régulatrice 37, est raccordée aux colonnes 28, 28', 28" d'aération par une conduite 38 de liaison, mise en communication avec la conduite 7 d'air comprimé.

La zone terminale 5 du réservoir 4 à mélange est mise en communication avec la chambre 17 de régénération par une entrée de milieu bactérien, constituée par un clapet de non-retour 39 de conception analogue à celle du clapet de non-retour 22, mais monté en position inverse.

Chacune des colonnes 28 (figure 2) d'aération à jet d'eau du type à contre-courant comporte, à sa partie supé rieure, une zone d'entrée convergente 40 dans laquelle est engagée la conduite 27 de refoulement, équipée d'une tuyère 41, de la pompe 23 de circulation, et à sa partie inférieure, une zone de sortie divergente 42,ces deux zones étant reliées entre elles par une zone à section constante 43 dans laquelle est disposé un disperseur 44 de gaz oxygéné, la zone d'entrée ayant des lumières 45 et une cloche isolante 46 de captage du gaz, fixée à la conduite 27 de refoulement de la pompe de circulation 23, de telle façon que sa tranche libre 47 soit plongée dans le milieu bactérien, ce qui assure l'isolement de la zone d'entrée vis-à-vis de l'atmosphère.

La zone de sortie 42 de la colonne 28 est équipée d'au moins une tuyère directrice conique perforée 48 ayant des orifices 49 ou des fentes, disposée coaxialement à la zone de sortie 42 et ayant la même conicité que la zone de sortie 42.

La colonne d'aération 28 à jet d'eau du type à contrecourant (de même que les colonnes 28', 28") est fixée sur des supports 50, de telle façon que la tranche inférieure de sa zone de sortie forme avec le fond du réservoir à mélange une fente 51 de circulation.

Le fonctionnement du bassin à boues activées comporte les opérations suivantes (figure 1).

Les eaux résiduaires 1 sont admises à travers le dispositif d'entrée, constitué par l'auge 2 de distribution, dans la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange, dans laquelle les boues activées régénérées et désoxygénées au préalable arrivent à travers le dispositif d'entrée, constitué par le clapet 22 de non-retour. Le milieu bactérien obtenu chemine par gravité de la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange à sa zone terminale 5, en étant aéré par l'air comprimé qui est fourni par la soufflante 8, dont la conduite 7 de refoulement est raccordée au disperseur 6.

Pendant le cheminement du milieu bactérien, les microorganismes des boues activées réalisent la dégradation biologique des polluants organiques, en les oxydant jusqu'à formation de gaz carbonique, d'eau, d'azote gazeux, de nitrates et de nitrites.

Le milieu bactérien sortant de la zone terminale 5 du réservoir à mélange 4 par la sortie 9, arrive au séparateur 10 de boues à nappe mince, adapté pour séparer les boues à recycler du milieu bactérien et qui est équipé d'un module 11 à nappe mince et d'unsystème d'auges collectrices 12 comportant une sortie 13 pour les eaux résiduaires épurées et une sortie 14 pour les boues à recycler.

Au fur et à mesure que le milieu bactérien chemine dans les canaux annulaires du module 11 à nappe mince, placé dans le séparateur 10 de boues, les boues à recycler sont efficacement séparées des eaux résiduaires épurées. Les boues à recycler se déposent alors sur les surfaces inclinées intérieures du module 11 à nappe mince, puis glissent dans la partie inférieure de dépôt du séparateur 10 de boues, tandis que les eaux résiduaires épurées et clarifiées se déversent dans le sytème d'auges collectrices 12.

Les boues à recycler, débarrassées de l'excès 15 de boues, passent par entrée 16 et arrivent dans la chambre 17 de régénération, équipée d'un disperseur 18 qui est raccordé à la conduite 7 de refoulement de la soufflante 6.

Le flux de boues activées, régénérées dans la chambre 17 de régénération, contourne la chicane 19 et entre dans la chambre 20 de désoxygénation préliminaire du milieu bactérien, d'où, en passant par la sortie constituée par le clapet 22 de non-retour, il est réadmis dans la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange, après quoi le cycle d'élimination des polluants organiques se trouvant dans les eaux résiduaires 1 à épurer se répète.

Dans la période d'arrivée accrue d'eaux résiduaires 1 quand leur niveau dans l'auge 2 de distribution monte audessus du seuil de débordement 21, une partie des eaux résiduaires 1 passant par le dispositif 2 d'entrée est-ad- mise dans la chambre 20 de désoxygénation prélimianire du milieu bactérien. Dans la chambre 20 de désoxygénation du milieu bactérien, partiellement isolée de la chambre 17 de régénération par la chicane 19, les vitesses de consommation de l'oxygène par les boues activées s'accroissent fortement, aussi la concentration en oxygène dissous estt-elle proche de zéro1 c'est-à-dire que le milieu bactérien régénéré est désoxydé.

En même temps, par commande à distance ou automatique, la pompe de circulation 23 est mise en marche. Sa conduite 24 d'aspiration comporte deux voies, dont l'une, la voie 25, est mise en communication avec la chambre 20 de désoxygénation du milieu bactérien régénéré, tandis que la seconde, la voie 26, est mise en communication avec la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange. Il s'ensuit que le milieu bactérien à quantité minimale d'oxygène dissous est envoyé dans la conduite 27 de refoulement de la pompe 23 de circulation, qui la transmet aux colonnes 28, 28l, 28" d'aération à jet d'eau du type à contre-courant.

La soufflante 29 de gaz oxygéné, dont la conduite 30 d'aspiration comporte deux voies, dont l'une (31) est en communication, par exemple, avec une source d'oxygène technique ou avec une installation d'enrichissement de l'air en oxygène, et l'autre 32, avec la conduite 33 de gaz oxygéné récupéré, fournit le gaz oxygéné au réservoir d'accumula tion 35 via la conduite 34 de refoulement. L'alimentation du réservoir 35 d'accumulation en oxygène technique ou en air enrichi en oxygène peut s'effectuer à des heures quelconques du jour, par exemple en périodes de creux du diagramme de consommation d'énergie électrique dans l'ensemble consldéré, et le refoulement du gaz oxygéné récupéré dans le réservoir 35 d'accumulation ne s1 effectue qu'en période de fonctionnement des colonnes 28, 28', 28" d'aération à jet d'eau.

Par suite de l'ouverture de la soupape régulatrice 37, commandée, par exemple, à distance ou automatiquement, le gaz oxygéné passe par la conduite de distribution 36 et va aux colonnes 28, 28', 28' d'aération à jet d'eau, ou, dans les écoulements à contre-courant de liquide et de gaz, a lieu un échange de masse interne de l'oxygène vers le milieu bactérien.

Dans certains cas, par exemple quand l'arrivée d'eaux résiduaires 1 est accrue, mais que sa concentration en polluants organiques est abaissée, et que, par conséquent, l'augmentation de la charge de traitement est faible, il est avantageux d'admettre aux colonnes 28, 28', 28" d'aération à jet d'eau, à la place du gaz oxygéné, de l'air comprimé1 par la conduite de liaison 38 raccordée à la conduite 7 de refoulement de la soufflante 8.

Quand la pompe 23 de circulation est mise en marche et commence à refouler le milieu bactérien de la chambre 20 de désoxygénation du milieu bactérien et de la chambre 17 de régénération, qui est en communication avec elle, vers les colonnes 28, 28', 28" d'aération à jet d'eau du type à contre-courant, et ensuite vers la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange, sous l'effet de la différence hydrostatique de niveau, le clapet 22 de non-retour se ferme, tandis que l'entrée de milieu bactérien1 constitué par le clapet 39 de non-retour, s'ouvre en établissant la communication avec la zone terminale 5 du réservoir 4 à mélange.

Le flux de milieu bactérien saturé d'oxygène dissous, à concentration en boues activées de l'ordre de 1 à 2 gjl, se trouvant dans la zone terminale 5 du réservoir 4 à mélange, entre alors dans la chambre 17 de régénération, d'où le milieu bactérien à concentration en boues activées de l'ordre de 6 à 10 g/l est refoulé par la pompe 23 de circulation vers la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange.Grâce à ce mélange, la concentration en boues activées dans le réservoir 4 à mélange est portée de 1-2 g/l à 3-6 g/l, ce qui permet de conserver dans le milieu bactérien un rapport optimal entre la concentration en boues activées et la concentration en polluants organiques en période d'arrivée accrue d'eaux résiduaires 1, et crée des conditions hydrodynamiques favorables à l'homogénéisation efficace des gradients de concentration des milieux de réaction pratiquement à tous les points du bassin à boues activées.

Une régulation plus précise de la structure hydrodynamique de l'écoulement de milieu bactérien, des concentrations de travail en boues activées et de la quantité d'oxygène introduite, corrigée, par exemple, par des capteurs d'oxygène dissous montés dans la zone terminale 5 du réservoir 4 à mélange, est assurée par variation de la capacité de débit des voies 25 et 26 de la pompe 23 de circulation, du degré d'ouverture de la soupape régulatrice 37, ainsi que par changement du nombre de colonnes d'aération 28, 28', 28" fonctionnant simultanément.

L'effet technico-économique de l'emploi d'oxygène technique ou d'air enrichi par de l'oxygène technique pour l'aération des eaux résiduaires est déterminé dans une large mesure par l'efficacité de son utilisation. Afin de rapprocher le taux d'utilisation de l'oxygène de sa valeur maximale, chacune des colonnes 28, 28', 28" (figure 2) d'aération à jet d'eau du type à contre-courant comporte une zone d'entrée convergente 40 dans laquelle est engagée la conduite de refoulement 27, équipée d'une tuyère 41, de la pompe 23 de circulation, et, à la partie inférieure, une zone de sortie divergente 42, ces deux zones étant raccordées entre elles par une zone à section constante 43 dans laquelle est placé un disperseur 44 de gaz oxygéné, raccordé à la conduite 37.La zone d'entrée 40 a des lumières 45 et une cloche isolante 46 de captage du gaz, qui est fixée à la conduite de refoulement 27 de la pompe 23 de circulation, de telle façon que sa tranche libre 47 soit plongée dans le milieu bactérien, en isolant ainsi la zone d'entrée 40 de l'atmosphère.

Les colonnes d'aération à jet d'eau fonctionnent de la façon suivante.

Quand la pompe de circulation 23 est en marche, le milieu bactérien désoxygéné au préalable arrive par la conduite 27, à travers la tuyère 41, sous surpression, dans la portion 43 à section constante.

En même temps le gaz oxygéné est injecté via la soupape régulatrice 37 et la conduite 36, à travers le disperseur 44. Les bulles de ce gaz sont fractionnées, par le jet dense de milieu bactérien, en bulles fines de différentes grosseurs, qui sont entraînées dans la zone 42 de sortie divergente de la colonne. Quand les bulles sont de faible grosseur et que la vitesse de leur remontée libre, déterminée principalement par la poussée ascendante d'Archimède, est plus faible que la vitesse de circulation verticale du milieu bactérien dans la section de la colonne, elles cheminent à contre-courant en descendant.Au fur et à mesure que la section droite de la zone 42 de sortie divergente augmente, la vitesse de circulation verticale du milieu bactérien diminue progressivement et, au moment où elle devient égale à la vitesse de remontée libre des bulles de gaz, celles-ci s'arrêtent et restent en suspension à une profondeur à peu près constante.

Si la teneur des bulles de gaz en oxygène est suffisamment grande, la dissolution de l'oxygène dans le milieu bactérien provoque une réduction sensible de la grosseur des bulles; la vitesse de remontée libre des bulles baisse, et l'écoulement vertical du liquide les déplace progressivement vers les couches de fond de la zone 42 de sortie divergente.

La variation expérimentale de la vitesse v (cm/s) (protée en ordonnées) de remontée libre des bulles de gaz oxygéné, en fonction de leur diamètre d (mm) (porté en abscisses), est représentée sur la figure 3. La vitesse de transfert de masse au liquide de l'oxygène des bulles dont le diamètre est inférieur à 0,5 mmbaissefortement par suite de l'affaiblissement de la circulation du gaz à l'interieur des bulles.Si l'on tient compte du fait que la grosseur optimale des bulles se situe entre 0,5 et 6 mm, ce qui correspond à une variation de leur vitesse de remontée libre de, sensiblement, 25 cm/s à 5 cm/s, les meilleurs résultats de la dissolution à contre-courant de l'oxygène sont obtenus quand la plus grande section droite de la zone de sortie 42 dépasse de 2 à 5 fois la section droite de la zone à section constante.

Pendant leur séjour dans la zone de sortie divergente 42 des colonnes 28, 28', 28" d'aération à jet d'eau du type à contre-courant, les bulles de gaz oxygéné sont soumises à deux effets contraires: de fractionnement et de coalescence.

Ceci a lieu non seulement au moment où les bulles de gaz se forment à la surface du disperseur 44 et sont arrachées par le jet dense de milieu bactérien, mais aussi durant le maintien en suspension des bulles identiques à une prodonfeur constante, quand les bulles voisines s'entrechoquent, se coagulent et s'unissent. Les produits de la coalescence - bulles de grande grosseur -, ayant une vitesse de remontée libre plus grande, remontent vers la zone 43 à section constante, où le jet dense de milieu bactérien les fractionne de nouveau en petites bulles multiples et les ramène dans la zone de sortie divergente 42. Au moment du fractionnement des grosses bulles en bulles fines, il se produit une augmentation supplémentaire par bonds de la vitesse de transfert de l'oxygène au milieu bactérien, résultant de la formation rapide, à une vitesse proche de celle du son, d'une nouvelle surface de contact entre le gaz et le liquide.

Une telle conception de la colonne 28, 28', 28" d'aération à jet d'eau, dans laquelle le transfert de masse de l'oxygène au liquide est intensifié grace à la désoxy génation préliminaire du milieu bactérien, à l'utilisation de l'écoulement à contre-courant du liquide et du gaz oxy géné, du fractionnement et de la coalescence des bulles de gaz, ainsi qu'à l'augmentation de la durée de contact entre le gaz et le liquide, permet d'augmenter de plusieurs fois la vitesse de dissolution de l'oxygène dans le liquide et le taux d'utilisation de l'oxygène.

L'écoulement de milieu bactérien, saturé d'oxygène dissous et entraînant des bulles très fines de gaz oxygé- ne, passe par la fente 51 de circulation et entre dans la zone initiale 3 du réservoir 4 à mélange Au diamètre dépassant le plus grand diamètre de la zone de sortie, sensiblement de 1,5 à 3 fois, la vitesse de l'écoulement de milieu bactérien baisse à tel point que les bulles très fines de gaz oxygéné commencent à remonter, et que, durant le cheminement vertical des bulles, il se produit une dissolution supplémentaire de l'oxygène dans le milieu bactérien de la zone initiale 3 duréservoir 4 à mélange.

Le gaz qui se dégage s'accumule sous la cloche isolante 46 de captage. Grâce à l'effet d'éjection du jet dense issu de la tuyère 41 r le gaz oxygéné se trouvant#dans la cloche 46 de captage, dont la tranche libre 47 est plongée dans le milieu bactérien en formant un joint hydraul#ique, est à nouveau entraîné dans la zone de sortie divergente 42 de la colonne 28 à travers les lumières 45.Etant donné que la quantité de gaz oxygéné s'accumulant sous la cloche de captage 46 peut dépasser la quantité de gaz éjectée à travers les lumières 451 il est prévu un prélèvement périodique de gaz par la conduite 33 et son refoulement dans le réservoir d'accumulation 35 par la soufflante 29 de gaz oxygéné
L'emploi d'une cloche 46 de captage du gaz et des autres éléments de la colonne 28 d'aération à jet d'eau du type à contre-courant liés à son fonctionnement, exclut pratiquement les pertes d'oxygène à l'atmosphère. Cette solution technique est particulièrement efficace quand l'aération du milieu bactérien est réalisée avec un gaz oxygéné à teneur accrue, par exemple de 50 % et au-dessus, en oxygène technique, dont le prix de revient est assez élevé.

L'une des conditions d'une haute efficacité de marche de la colonne 28 d'aération à jet d'eau du type à contrecourant est la distribution uniforme des bulles de gaz oxygéné dans la section droite de la zone de sortie divergente 42. Cette condition est observée en donnant à la longueur de la zone de sortie divergente une valeur comprise entre 0,5 et 0,75 de la longueur totale de la colonne d'aération.

D'ordinaire, la profondeur du milieu bactérien dans le réservoir à mélange 4 du bassin à boues activées se situe entre 3 et 6 m. En conséquence, la longueur de la zone de sortie divergente 42 sera de 2 à 4,5 m, ce qui, pour un rapport du diamètre minimal de la colonne d'aération 28 à son diamètre maximal égal à 1:5, assure la progressivité voulue des vitesses verticales, ainsi que l'absence de zones tourbillonnaires et stagnantes.

Toutefois, l'observation de cette condition est insuffisante quand le débit de gaz oxygéné par la conduite 36 reliée au disperseur 44 est proche de la valeur maximale.

De grandes quantités de gaz oxygéné peuvent alors s'accumuler dans la partie supérieure de la zone de sortie divergente 42, en altérant les conditions de transfert de masse. Pour éviter ce phénomène pratiquement à tous les régimes d'insufflation du gaz oxygéné, la zone de sortie divergente 42 est équipée d'au moins une tuyère directrice conique perforée 48, disposée coaxialement à la portion de sortie 42 (figure 2) et ayant la même conicité. Dans ce cas, l'écoulement vertical de milieu bactérien descend suivant des canaux annulaires coaxiaux, qui affaiblissent la circulation transversale dans la zone de sortie 42 de la colonne 28.Les bulles de gaz, grossies par suite de la coalescence et commençant leur remontée, sont entraînées dans les canaux annulaires voisins par les filets transversaux de milieu bactérien, à travers les orifices 49 ou les fentes de la tuyère 48, ce qui augmente la durée du contact entre le gaz et le liquide de 1,3 à 1,5 fois et assure une grande vitesse de dissolution de l'oxygène à tous les régimes de marche. Sur la figure 2, la circulation transversale des bulles de gaz est montrée par convention seulement sur la partie gauche.

De la sorte, l'invention permet d'assurer une épuration biologique complète et stable des eaux résiduaires en présence de fluctuations notables de l'arrivée et de la concentration en polluants organiques, de réduire notablement le volume utile du bassin à boues activées et les dépenses d'énergie électrique, tout en conservant un haut degré d'épuration des eaux résiduaires.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Bassin à boues activées, comprenant un réservoir de mélange (4) équipé de colonnes (28, 28', 28") d'aération à jet d'eau (28, 28', 28") et comportant une zone initiale (3) dans laquelle sont disposés des dispositifs (2, 22) d'amenée d'eaux résiduaires et de boues activées dans le réservoir de mélange (4), et une zone terminale (5) dans laquelle se trouve une sortie (9) pour le milieu bactérien, mise en communication avec un séparateur (10) de boues à nappe mince (10) servant à séparer les boues à recycler du milieu bactérien et ayant une sortie (13) pour les eaux résiduaires épurées et une sortie (14) pour les boues à recycler, celle-ci étant reliée à la conduite d'aspiration d'une pompe de circulation (23) dont la conduite de refoulement (27) est raccordée aux colonnes (28, 28', 28"), caractérisé en ce qu'il est équipé de disperseurs d'air comprimé(6)placés dans le réservoir de mélangeC4), de chambres (17, 20) de régénération et de désoxygénation du milieu bactérien, communiquant entre elles et équipées elles aussi de disperseurs d'air comprimé (18), la chambre de régé nération (17) étant en communication avec la sortie (14) de boues à recycler et comportant une entrée (39) pour le milieu bactérien, mise en communication avec la zone terminale (5) du réservoir de mélange(4), et la chambre (20) de désoxygénation du milieu bactérien comportant une entrée (2) pour les eaux résiduaires (1) et une sortie (22) mise en communication avec la zone initiale (3) du réservoir de mélange (4), dans laquelle sont montées des colonnes d'aération à jet d'eau (28, 28', 28") du type à contre-courant, chacune desquelles se compose d'une zone d'entrée convergente(40) située dans sa partie supérieure et dans laquelle est engagée la conduite de refoulement 271 equipée d'une tuyère (41), de la pompe de circulation 23, et d'une zone de sortie divergente (42) située dans sa partie intérieure, lesdites zones#4O) et (42) étant raccordées entre elles par une zone à section constante (43) dans laquelle est placé un 4 disperseur de ga#z oxygéné (44) ladite zone d'entrée (40) comportant des lumières (45) avec une cloche isolante (46) de captage du gaz, fixée à la conduite de refoulementt27)de la pompe de circulation < 23)de telle façon que sa tranche libre (47) soit plongée dans le milieu bactérien, en isolant ainsi la zone d'entréel40)du milieu ambiant, tandis que la conduite d'aspirationt24) de la pompe de circulation (23) comprend deux voies (25, 26), dont l'une (25) est mise en communication avec la chambre (20) de désoxygénation du milieu bactérien, tandis que l'autre (26) est-mise en communication avec la zone initiale (3) du réservoir de mélange

2. Bassin à boues activées selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plus grande aire de section droite de la zone de sortie (42) est supérieure sensiblement de 2 à 5 fois à l'aire de section droite de sa zone à section constante C43 >

3. Bassin à boues activées selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre de la tranche libre (47) de la cloche isolante (46) est supérieur sensiblement de 1,5 à 3 fois au diamètre de la zone de sortie.

4. Bassin à boues activées selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la longueur de la zone de sortie divergente (42) est comprise entre 0,5 et 0,75 de la longueur de toute la colonne d'aération (28).

5. Bassin à boues activées selon l'une des revendications 1, 2, 3 et 4, caract8risé-en ce que la zone de sortie(42) est équipée d'au moins une tuyère directrice conique perforée (48) disposée coaxialement à la zone de sortie (42) et ayant la même conicité que celle-ci.