EP4387936A1 - Dispositif et procédé d'épuration des eaux usées - Google Patents

Dispositif et procédé d'épuration des eaux usées

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Publication number
EP4387936A1
EP4387936A1 EP22764799.7A EP22764799A EP4387936A1 EP 4387936 A1 EP4387936 A1 EP 4387936A1 EP 22764799 A EP22764799 A EP 22764799A EP 4387936 A1 EP4387936 A1 EP 4387936A1
Authority
EP
European Patent Office
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water
digester
biogas
height
column
Prior art date
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Pending
Application number
EP22764799.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
César NARVAEZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nxo Engineering
Original Assignee
Nxo Engineering
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C02F2301/06—Pressure conditions
    • C02F2301/063—Underpressure, vacuum

Definitions

  • the present invention relates to a device for purifying waste water and a process for purifying waste water. It applies, for example, to the field of urban wastewater treatment. State of the art
  • ERU treated urban waste water
  • Biomass retention in sludge bed reactors is based on the ability of anaerobic microorganisms to flocculate to form granules which can reach up to 5 mm in diameter and which exhibit good sedimentation characteristics (volume index ⁇ 20 mL .gMVS' 1 ; maximum sedimentation rate > 5 mh 1 ), and good mechanical resistance. This prevents them from being washed out of the reactor, in which the upward velocity of the liquid is generally maintained between 1 and 1.5 m.h' 1 .
  • Granulation is a slow process which leads to a long start-up period (about six months) if unsuitable digester sludge is used as inoculum.
  • the formation of a granular sludge is practically impossible with certain types of effluents and degranulation can be observed when the reactor which treats these effluents is seeded with an already granular sludge.
  • Sludge bed processes are also sensitive to the SS concentration of the effluent. Indeed, a low ascent rate does not allow the leaching of particulate matter, which can cause their accumulation at the expense of the formation of granules, thus leading to a decrease in biological activity.
  • the resolution of these problems requires a better knowledge of the intimate mechanisms of granulation and the factors that govern it.
  • the granules consist exclusively of microorganisms. It is generally accepted that their formation is the result of the selection of flocculant bacteria in an upward flow system where the free cells in suspension are necessarily leached out.
  • the granules also have a very complex bacterial organization. Fermentative, syntrophic and methanogenic microorganisms are closely associated with each other, which reduces the distance between them. The inter-species transfer of hydrogen and the diffusion of metabolites along the trophic chain are more efficient.
  • HRT hydraulic residence time
  • TRS sludge residence time
  • EGSB for “Expanded Granular Sludge Bed”, translated by “extended granular sludge bed”
  • the EGSB combines the recirculation of the effluent with upward speeds greater than 4m. IT 1 and taller reactor geometries (high height/diameter ratio).
  • the compartmentalization of the reactor space has led to the internal circulation reactor (IC for “Internai Circulation”, translated as “internal circulation”), which consists of two stacked UASB reactors.
  • IC Internal Circulation
  • the lower reactor operates at high load and the biogas produced is recovered for the fluidization of the second reactor, by gas-lift effect, located above and fed at low load.
  • ERUs are considered as dilute effluents (COD ⁇ 1000 mg.L 1 ), they have the characteristics of a complex effluent, with a low temperature (oscillating between 15 and 25°C) and a high ratio of suspended solids d 50-65%, ie a low ratio of soluble COD to total COD. Consequently, the total conversion of the COD is limited by the phase of hydrolysis of the solid compounds.
  • the management and yields of this biogas technology are highly dependent on temperature. Like all chemical and biochemical transformations, the speed reactions that occur in methanization increase with temperature. However, these systems are very dependent on their operating temperature.
  • US patent application 2020 392 025 and US patent 8 721 877 are known, which disclose devices for treating waste water solids and gases.
  • such devices operate under atmospheric pressure and therefore do not make it possible to promote the evaporation of the biogas partially dissolved in the treated water and therefore an optimal recovery of the biogas.
  • such devices do not make it possible to obtain treated water with an optimized COD value and in particular associated with a reduced concentration of residual pollutants.
  • the treated water obtained by these devices still has a large quantity of floating material, this treated water therefore does not have a good quality making it possible in particular to satisfy the prescribed specifications.
  • the present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
  • the present invention relates to a purification device according to claim 1.
  • the saturation pressure is preferably below atmospheric pressure (the dissolution constant of a gas is proportional to the pressure in the enclosure), and
  • a buffer column makes it possible in particular to optimize the operation of the digester. Indeed, such a buffer column allows the start of a flow of wastewater to the digester according to hydrodynamic constraints imposed by the digestion process. In particular, such a flow, or hydraulic circulation, is caused according to the principle of communicating vessel when a depression is applied in the upper part of the digester. Furthermore, the buffer column and the flow it causes during the implementation of the digestion process carried out by the digester, contributes to the application of a sufficient vacuum and in particular a negative pressure in the upper part of the digester and above the supernatant water.
  • the digester comprises a low treated water outlet connected to the weir and positioned at a third height from the lower part, said third height being less than the first weir height.
  • the treated water outlet is arranged at the bottom of the digester, the evacuation of treated water is possible without suction of air through this treated water outlet. In this case, such an evacuation is carried out despite a negative pressure, or depression, applied in the upper part of the digester.
  • the third height of the treated water outlet is less than or equal to the level of wastewater present in the buffer column. Thanks to these provisions, the evacuation of treated water is carried out easily, for example, in the lower part of the digester. In particular, such an evacuation is optimized by the hydraulic pressures generated in the device.
  • the treated water outlet further comprises a valve for extracting water from the weir. Thanks to these provisions, the evacuation of treated water is carried out when the extraction valve is opened.
  • an adjustable flow rate of treated water is generated in particular according to the constraints of wastewater treatment, such as the volume of this wastewater to be treated or the volume of treated water to be generated.
  • the device that is the subject of the invention comprises a sensor for the presence of water in the weir, at least the extraction valve being activated according to the presence of water collected.
  • the device that is the subject of the invention further comprises:
  • biogas recirculation pipe from the biogas outlet to the biogas inlet.
  • the device that is the subject of the invention further comprises a valve for activating the recirculation pipe.
  • a valve for extracting water from the weir allow the device to have distinct modes of operation depending on the opening and closing of the valves.
  • the device that is the subject of the invention has a mode of operation in which the recirculation pipe activation valve and the water extraction valve are closed.
  • the device that is the subject of the invention further comprises:
  • a pressure sensor configured to capture an operating pressure in the upper part of the digester
  • a proportional, integral, derivative regulator configured to regulate the operation of the vacuum pump according to the pressure sensed in the upper part of the digester.
  • the digester further comprises an open reservoir, the column for raising water by suction of water biogas comprising, in the upper part of the digester, an outlet for raised biogas, said outlet being connected to the tank open and positioned at a fourth height lower than the first height.
  • the biogas rise column is at least partially surrounded by a settling zone.
  • a fifth height defining the limit of the settling zone is lower than the first height of the weir. Thanks to this arrangement, the settling zone makes it possible to limit the quantity of particles in suspension, in particular floating particles, from reaching the first height of the treated water overflow. The COD of the treated water is therefore reduced. Thus, the quality of treated water is improved.
  • the settling zone comprises a lamellar settling tank. Thanks to this arrangement, the settling zone makes it possible to further limit the quantity of polluting particles in suspension in the treated water. Settling is therefore optimized, thus improving the quality of the treated water.
  • the digester further comprises a gas-liquid-solid separator communicating with a lower end of the rising water column, the separator being substantially conical of revolution and of apex disposed inside the rising water column and being configured to convey at least biogas into the rising water column. Thanks to these provisions, the separator allows the orientation of biogas and water towards the rising water column while limiting the rising of solid particles.
  • the conical separator has a base and the digester further comprises a deflector:
  • the deflector allows an accumulation of biogas on a lower portion then a direction of the flow of biogas towards the separator.
  • the excess biogas not retained by the lower portion rises towards the base of the separator while being guided by the end of the deflector and is then routed towards the column of rising water to carry out a rise of water by entrainment gas also called the “gaslift” effect.
  • the cooperation between the separator and the deflector therefore allows an optimized gaslift effect.
  • the homogenization of the mixture present in the digester is optimal.
  • the device that is the subject of the invention comprises:
  • a "PID" type regulation can be set implemented, in which the operating frequency of the pump is slaved to the liquid level of the buffer column.
  • the device that is the subject of the invention comprises, downstream of the vacuum pump:
  • the digester includes:
  • thermal enclosure configured to receive a flow of hot water, comprising an inlet for water and an outlet for water,
  • a heat exchanger configured to heat or cool the hot water, the water leaving the heat exchanger being supplied to the water inlet of the enclosure.
  • the present invention relates to a process for purifying wastewater according to claim 19.
  • FIG. 1 represents, schematically, a particular embodiment of the device which is the subject of the invention
  • Figure 2 schematically represents the device shown in Figure 1, upstream of the start-up of such a device
  • FIG. 3 represents, schematically, the device represented in FIG. 1, during the implementation of such a device
  • FIG. 4 represents, schematically and in the form of a flow chart, a succession of steps of a mode particular embodiment of the method which is the subject of the invention.
  • valve designates any type of valve known and suitable for the contextually indicated use.
  • a valve is, for example, a motorized valve.
  • FIG. 1 A schematic view of an embodiment of the device 100 object of the invention is observed in FIG. 1, which is not to scale.
  • This wastewater treatment device 100 comprises a vacuum anaerobic digester 105 comprising:
  • weir 125 for treated water comprising an outlet 130 for water positioned according to a first height 131 from the lower part
  • An outlet 135 for biogas positioned at a second height 136 greater than the first height.
  • the device 100 also comprises:
  • a vacuum pump 145 connected to the biogas outlet configured to, when said pump is activated, cause water to flow from the lower part to the upper part.
  • the anaerobic digester 105 refers to a tank used in the methanization process which produces biogas through an anaerobic digestion process of organic matter from various sources.
  • the organic matter preferably comes from urban waste water.
  • the digester 105 is said to be "vacuum”, that is to say that its preferred operating conditions are at a pressure generally lower than atmospheric pressure.
  • the digester 105 is formally divided into two parts: a lower part 110 and an upper part 120 whose relative proportions can vary.
  • the part of the digester 105 generally close to the base, that is to say the ground, when the digester 105 is in operating condition, is generally called the “lower part 110”.
  • the lower part 110 thus designates the place of reception of the gravity flows occurring within the digester 105.
  • This digester 105 can implement various internal devices capable of interacting with the flow flows of biogas, water and/or or organic waste.
  • the digester 105 can implement, as visible in FIG. 1, a flow device with grooves or fins configured to distribute the flows evenly in the lower part 110.
  • Such devices make it possible to avoid the accumulation of sludge in a particular place of the digester 105 likely to deactivate it or at least to reduce its yield.
  • the digester 105 comprises an inlet 115 for waste water.
  • Such an inlet 115 corresponds to an opening, preferably connected to a pipe, and optionally associated with means for controlling a valve governing the opening and/or closing of the inlet.
  • a valve can be actuated manually or automatically, using an automaton, depending on preferential operating values of the digester 105.
  • the lower part 110 of the digester 105 also comprises a bed of microorganisms, such as bacteria , selected for their ability to digest ERUs and produce biogas. In particular, such digestion carried out by bacteria is carried out without oxygen and thus corresponds to anaerobic digestion.
  • microorganisms can be supported by granules 121, for example so-called “UASB” bacterial granules, placed at the bottom of the tank (that is to say in the lower part 110) of the digester 105.
  • a generation of a bed of bacteria present in a digester 105 is carried out according to a method known to those skilled in the art, for example by introducing bacteria into the digester 105 also called inoculation of the digester, or by introducing waste to be treated progressively presenting bacteria which will, over time, create UASB granules.
  • the wastewater thus presents an upward flow in the transverse surface of the reactor, except in column 141 where the water descends.
  • the lower part 110 and the upper part 120 of the digester 105 are connected by a column 140 for rising water by suction of the biogas from the lower part 110 to the upper part 120.
  • the lower part 110 and the upper part 120 of the digester 105 are also connected by a column 141 for lowering untreated waste water from the upper part to the lower part.
  • Columns 140 for rising water by suction of biogas and 141 for lowering water are, for example, coaxial.
  • the digester 105 comprises a means of collecting wastewater raised by the suction action of the biogas through the column 140 of rise. This waste water is then directed to the column 141 for the descent of the waste water to the lower part of the digester 105.
  • the water in the lower part 110 is sucked up to the upper part of the digester 105.
  • the columns 140 of rise and 141 of descent amplify the mixing within the reactor by channeling towards the biogas center.
  • the digester 105 mainly comprises outlets for the different species of interest generated.
  • an outlet 130 for water supplied by a weir 125 whose function is to allow the outlet of water exceeding a predetermined height, called first height 131, function of the level of depression, which is fixed according to the height of the reactor, chosen to correspond to the height reached by the water once treated by the microorganisms.
  • outlet of the weir 125 is used, for example, a liquid retention wall whose crossing constitutes the outlet 130, analogously to the operation of a hydraulic weir.
  • the term "height" refers to a value of a physical quantity representative of the distance between the base and a given point of the digester 105 along a gravitational vertical axis.
  • the height can also be measured from the highest point of the tank or any other reference point located at a higher altitude than the point of interest whose height is measured when the digester 105 is in working conditions. operations.
  • the weir 125 is connected to a pipe for the vertical flow of the treated water towards the lower part 110, by gravity or by means of a pump, so as to counterbalance the effect of the negative pressure in upper part 120 of the digester 105 when the water leaves the digester 105.
  • the digester 105 comprises a low outlet 300 for treated water connected to the weir 125.
  • an outlet base 300 of treated water is positioned at a third height 301 from the lower part, the third height 301 being preferably lower than the first height 131 of the weir 125.
  • the third height 301 of the low outlet 300 of treated water is less than or equal to the level of waste water 302 present in a buffer column 190.
  • the column buffer 190 contains waste water, the surface of this waste water being at a height 302 being equal at least to a third height 301 of outlet 300 of treated water.
  • the third height 301 of the low outlet 300 of treated water is lower than the level of waste water 302 present in a buffer column 190.
  • the device 100 represented in FIG. 3 corresponds to an operating mode of the digester 105 when the anaerobic digestion is implemented.
  • the pressure applied in the upper part and above the supernatant water is negative, for example equal to -0.5 bar.
  • this mode of operation shown in Figure 3 it is noted that, for example, the water flows into the weir 125 and therefore has a level according to a first height 131.
  • a low outlet 300 for treated water further comprises a valve 165 for extracting water from the weir 125.
  • a valve 165 extraction is a motorized valve.
  • the water extraction valve 165 is coupled to a water extraction pump.
  • the water extraction valve 165 is open in order to ensure the evacuation of the treated water.
  • such an opening is made following a command sent by a water presence sensor in the weir 125.
  • the hydrostatic pressure value will be greater than the depression value and the flow of treated water will take place without suction of outside air.
  • the outlet 130 for water from the weir 125 such as a pipe 130 connected to the weir 125 is filled with water
  • such filling corresponds to a hydraulic seal and avoids the suction of air that can occur when the valve 165 water extraction is open.
  • the device 100 comprises a sensor 170 of the presence of water in the weir 125, at least the extraction valve 165 being activated depending on the presence of water captured .
  • the sensor 170 is, for example, a capacitive sensor activated by the presence of water in the weir 125.
  • the detection of water can correspond to a change in the operating regime of the device 100, from a power increase phase to a nominal operating phase. These regime changes are described below.
  • the digester 105 comprises an outlet 135 for biogas, comprising for example a biogas extraction pipe, one opening of which is positioned at the second height.
  • the exit 135 is configured to suck the biogas located above the purified water and the water sucked by the column 141 of descent.
  • the movement of water in the digester 105 is caused by the action of the vacuum pump 145 configured to generate a depression, at the level of the outlet 135 for biogas, lower than the inlet pressure of the ERUs in the digester 105.
  • the device 100 comprises:
  • biogas recirculation pipe 155 from the biogas outlet 135 to the biogas inlet 150.
  • Inlet 150 is, for example, structurally similar to inlet 115 for waste water in the different variants shown.
  • the recirculation pipe 155 is, for example, a pipe configured to connect the downstream of the vacuum pump 145 and the inlet 150 for biogas in the lower part 110 of the digester 105.
  • This recirculation pipe 155 can be associated with a set valves whose selective actuation makes it possible to force all or part of the flow of biogas towards said conduit 155 for recirculation.
  • the vacuum pump 145 is connected to a biogas evacuation pipe and the recirculation pipe 155 is a tapping on this evacuation pipe, the tapping and the evacuation pipe each being associated with a valve. separate whose opposite activation causes the passage of biogas either in the discharge pipe or in the pipe 155 of recirculation.
  • the recirculation line 155 is associated with a gas pump and/or a non-return valve upstream of the inlet 155.
  • the device 100 further comprises a valve 160 for activating the pipe 155 of recirculation.
  • a valve 160 for activating the pipe 155 of recirculation.
  • An exemplary embodiment of the activation valve 160 is shown above while the valve 165, functionally, allows the extraction of water from the weir 125, that is to say that as long as the valve 165 d extraction is closed, the water captured by the weir 125 remains in the same pressure environment as the rest of the digester 105.
  • the water leaving the weir can be valued in many ways.
  • the device 100 has a mode of operation in which the valve 160 for activating the pipe 155 of recirculation and the valve 165 of water extraction are closed.
  • Such an operating mode corresponds to a power-up or initialization phase of the device 100 in which the vacuum is created in the digester 105.
  • the outlets and inlets of the digester 105 must be in the closed position. .
  • the water is raised along the digester 105, from the lower part 110 to the upper part 120 and this until treated water enters the weir 125.
  • a valve 165 is opened, allowing the exit of the treated water.
  • Other operating modes are described below.
  • the device 100 further comprises: - a pressure sensor 175, configured to sense an operating pressure in the upper part 120 of the digester 105, and
  • a PID regulator 180 configured to regulate the operation of the vacuum pump 145 according to the pressure sensed in the upper part of the digester 105.
  • the pressure sensor 175 can be of any type known to a person skilled in the art which corresponds to the operating conditions of the device 100 in particular in terms of temperature, pressure or humidity.
  • the PID 180 regulator for "proportional, integral, derivative” is a control system that improves the performance of a servo, i.e. a closed loop system or process.
  • the vacuum pump 145 is controlled by the pressure detected by the sensor 175.
  • the digester 105 further comprises an open reservoir 303.
  • a reservoir is said to be "open” since it has an at least partial opening communicating with the upper part of the digester 105 in which is applied a negative pressure also called depression.
  • the pressure inside the open tank 303 is equal to the depression applied by the vacuum pump 145 in the upper part of the tank and in particular above the supernatant water. . It is noted that such a tank is connected to the column 140 of water rise 140.
  • the column 140 for raising water by suction of the biogas 304 comprises, in the upper part 120 of the digester 105, an outlet 185 for raised biogas 304, the output being:
  • This height differential is due to the gaseous retention rate in the area above the column 140 of rising water by suction of the biogas.
  • outlet 135 for biogas is located at a higher altitude than outlet 130 for water from weir 125,
  • Outlet 185 for water from column 140 is located at a lower altitude than outlet 130 for water from the spillway and at a lower altitude than outlet 135 for biogas.
  • the liquid level in this sector, and in particular inside the open tank 303, is higher by the “gaslift” effect, that is to say by the rise of the biogas carrying waste water. This liquid level is shown with a second striped line 187.
  • column 140 allows the rise, by gaslift effect, of water with biogas corresponding to a two-phase gas/liquid mixture.
  • outlet 185 for water from column 140 inside open tank 303 the two-phase mixture will settle:
  • the water will go down in the column 141 of untreated waste water descents, such as a pipe, having an outlet towards the zone of the sludge bed to optimize mixing.
  • a biogas rise column 140 is at least partially surrounded by a settling zone 305.
  • a settling zone 305 is also called a clarification zone.
  • a fifth height 306 defines the limit of the settling zone 305. More preferably, the fifth height 306 is lower than the first height 131 of the weir 125. It is noted that such a settling zone makes it possible to promote the settling and therefore the separation of the floating materials and suspended solids in the water.
  • the settling zone 305 comprises a lamellar settling tank.
  • a lamellar settling tank has plates arranged in parallel in order to increase the settling surface.
  • the lamellae are arranged obliquely so as to guide the sliding of the sedimented materials and the floating materials towards the bottom of the lamellar settling tank.
  • the digester 105 of the device 100 further comprises a gas-liquid-solid separator 307 communicating with a lower end of the column 140 for raising waters.
  • the separator 307 is substantially conical of revolution and has a vertex arranged inside the column 140 of rising water. It is noted that such a separator 307 is configured to convey at least biogas to achieve the gaslift effect in the rising column 140 of water.
  • the conical separator 307 has a base 310 represented by a dotted circle.
  • the digester 105 further comprises a deflector 308:
  • part of the water initially present in the lower part of the digester 105 circulates towards the settling zone 305 passing between the space delimited by the base 310 of the separator 307 and the end of the deflector 308.
  • the device 100 comprises a buffer column 190 configured to receive waste water, said buffer column comprising:
  • the inlet 115 for waste water from the digester 105 being connected to the buffer column 190 and configured to supply waste water by depression.
  • the main function of the buffer column 190 is to act as a reservoir from which, by suction, water to be treated is drawn towards the digester 105.
  • the inlet 195 is, for example, analogous to the inlet 115 of the digester 105.
  • the intake 200 d Atmospheric air is, for example, an opening to the environment outside the device 100, optionally capable of being closed or not by means of a valve or a valve.
  • the inlet 115 for waste water can be reduced to a pipe that is not blocked or can be closed between the digester 105 and the buffer column 190.
  • the device 100 comprises:
  • the sensor 205 is, for example, an ultrasound sensor.
  • the pump 210 is for example configured to inject waste water into the 190 buffer column.
  • the pump 210 is for example configured sewage injection disposal.
  • the device 100 comprises, downstream of the vacuum pump 145:
  • an adsorption means 220 to purify the biogas and/or
  • the dehumidifier 215 is, for example, a condenser of residual water vapors present in the biogas.
  • the adsorption means 220 is, for example, an activated carbon adsorption column or another porous adsorption medium such as silica or zeolites. In variants, the adsorption means 220 can also be more complex if the quality of biogas required at the outlet must be higher, for example of the "PSA" type (for "Pressure Swing Adsorption", translated by adsorption by pressure inversion) .
  • the storage 225 may correspond to a transport pipe or to a tank, for example.
  • the device 100 further comprises:
  • the digester 105 includes:
  • thermal enclosure 230 configured to receive a flow of hot water, comprising an inlet 235 for water and a hydraulic gasometer protection guard 225,
  • a hot water circuit 245 comprising:
  • a water pump 250 connected to the outlet 240 for water from the enclosure 230 and
  • a heat exchanger 255 configured to heat or cool the hot water, the water leaving the heat exchanger 255 being supplied to the water inlet 235 of the enclosure 230.
  • a valve 165 for the treated water outlet of the digester 105 is closed to prevent atmospheric air from being sucked inside the digester 105, making it impossible to prime the device 100,
  • the digester 105 is six meters high, i.e. a pressure of 500 mbarA (-0.5 barG),
  • the treated water is discharged because the stream is located in a zone of positive pressure; the liquid level of the buffer column 190 and the outlet are balanced according to the water flow at the inlet 115,
  • the system operates stably; the treated water leaves the digester 105 through a dedicated outlet 130 and a circulation loop inside the digester 105 is created by the effect of the rise of the biogas amplified by the vacuum; the gas retention rate increases with the level of depression,
  • the biogas produced is extracted by the vacuum pump 145 and goes through a step to eliminate pollutants that can be absorbed in the vacuum network (foam and scum) via a condensate tank,
  • the biogas then goes through a dehumidification stage; the condensates are removed by gravity,
  • the biogas then passes through a means of adsorption with extruded activated carbon or any other adsorbent material to eliminate the H2S species,
  • the biogas is stored in a double-membrane gas holder (30 mbarsG) until it is used; a 50 mbarG hydraulic guard 240 is associated with this device 100,
  • a probe 260 for example capacitive, triggers the timed emptying procedure towards a solar dehydration zone (sludge mineralization),
  • the height of the compartment is sufficient for the stored granular sludge to have a solids retention time (translated by "Solid Retention Time” and abbreviated SRT) equivalent to 30 days (psychrophilic conditions 12-25°C); this in order to ensure its correct hygienization by anaerobic digestion and
  • the thermal regulation of the digester 105 is possible by the circulation of hot water in the circuit 245 and the thermal insulation.
  • FIG. 2 A schematic view of an embodiment of the device 100 object of the invention is observed in FIG. 2, which is not to scale.
  • the device 100 is not in operation, that is to say that the vacuum pump 145 is not activated.
  • the device 100 has not yet started and no depression allowing vacuuming is exerted.
  • the level of waste water in the buffer column 190 is equal to the level of waste water in the digester 105 by pressure equilibrium.
  • the surfaces of the waste water present in the buffer column 190 and the digester 105 are at atmospheric pressure.
  • FIG. 3 A diagrammatic view of an embodiment of the device 100 object of the invention is observed in FIG. 3, which is not to scale.
  • the device 100 is in operation, that is to say that the vacuum pump 145 is activated and that a constant depression, also called negative pressure, is applied to the upper part of the digester 105.
  • a constant depression also called negative pressure
  • the level of waste water in the buffer column 190 is lower than the level of waste water in the digester 105.
  • the surface of waste water in the buffer column 190 is at atmospheric pressure and the surface of waste water present in the digester 105 is subjected to a relative negative pressure, for example with respect to atmospheric pressure.
  • a negative pressure is, for example, equal to -500 mbarG.
  • This wastewater treatment process 400 includes:
  • a vacuum anaerobic digestion step 405, in a digester comprising:
  • step 411 for generating a bed of microorganisms in the lower part of the digester, the microorganisms comprising bacteria
  • step 420 for discharging, via a spillway in the upper part of the digester, the treated water comprising a step 425 of water outlet in a water outlet of the water spillway positioned according to a first height
  • step 435 of vacuum pumping connected to the outlet for biogas configured to, when said pump is actuated, cause the flow of water from the lower part to the upper part;
  • the method 400 further comprises, upstream of the discharge step 420, a settling step for the separation between water and solid matter.
  • a settling step for the separation between water and solid matter.

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Abstract

Le dispositif (100) d'épuration des eaux usées comporte : - un digesteur (105) anaérobie sous-vide comportant : - en partie basse (110), une entrée (115) pour eaux usées, - en partie haute (120) : - un déversoir (125) pour eau traitée comportant une sortie (130) pour eau positionnée selon une première hauteur (131) à partir de la partie basse et - une sortie (135) pour biogaz positionnée selon une deuxième hauteur (136) supérieure à la première hauteur, - une colonne (140) de remontée d'eaux par aspiration du biogaz depuis la partie basse vers la partie haute, - une colonne (141) de descentes d'eaux usées non traitées depuis la partie haute vers la partie baisse et - une pompe (145) à vide reliée à la sortie pour biogaz, et - une colonne (190) tampon configurée pour recevoir des eaux usées.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ D’ÉPURATION DES EAUX USÉES
Domaine technique de l’invention
La présente invention vise un dispositif d’épuration des eaux usées et un procédé d’épuration des eaux usées. Elle s’applique, par exemple, au domaine de l’épuration des eaux usées urbaines. État de la technique
La rareté de ressources en eau et le dérèglement climatique nécessitent une gestion appropriée et fine de la ressource en eau disponible. Particulièrement, les régions méditerranéennes souffrent de manière imminente d’un manque d’eau et nécessitent des technologies de protection environnementale :
- intégrant la conservation de la ressource,
- focalisées dans l’utilisation minimale d’énergie et de produits chimiques et
- promouvant la réutilisation maximale des eaux résiduelles urbaines (dites « ERU ») assainies et des résidus produits à partir des polluants y présents.
On connait des solutions de type du réacteur anaérobie UASB (pour « Upflow Anaerobic Sludge Blanket », traduit par « Couverture de boue anaérobie à écoulement ascendant »), conçu pour le traitement des eaux usées dans les années 1970. Ce réacteur est alimenté en flux ascendant sans média de garnissage et est équipé dans sa partie supérieure d’un système de séparation triphasique : gaz, liquide et solide. Ce système permet l’évacuation de biogaz et limite la sortie des matières en suspension (dites « MES ») de l’effluent. Son comportement hydraulique est de type parfaitement mélangé excepté au niveau du séparateur triphasique qui présente les caractéristiques hydrauliques d’un réacteur piston. L’agitation du milieu est principalement due à la production de biogaz. Une bonne distribution des eaux usées est nécessaire, en particulier pour les eaux faiblement concentrées en DCO (pour « demande chimique en oxygène ») générant peu de gaz, afin d’éviter la formation des chemins préférentiels.
La rétention de la biomasse dans les réacteurs à lit de boues est basée sur la capacité des microorganismes anaérobies à floculer pour former des granules qui peuvent atteindre jusqu’à 5 mm de diamètre et qui présentent de bonnes caractéristiques de sédimentation (indice volumique < 20 mL.gMVS’1 ; vitesse maximale de sédimentation > 5 m.h 1), et une bonne résistance mécanique. Ceci évite leur lessivage du réacteur dans lequel la vitesse ascensionnelle du liquide est généralement maintenue entre 1 et 1,5 m.h’1.
Le principal problème de ces systèmes réside dans la formation et le maintien des granules. La granulation est un phénomène lent qui entraîne une longue période de démarrage (environ six mois) si des boues de digesteurs non adaptées sont employées comme inoculum. La formation d’une boue granulaire est pratiquement impossible avec certains types d’effluents et une dégranulation peut être observée lorsque le réacteur qui traite ces effluents est ensemencé avec une boue déjà granulaire. Les procédés à lit de boues sont également sensibles à la concentration de l’effluent en MES. En effet, une faible vitesse ascensionnelle ne permet pas le lessivage des matières particulaires, ce qui peut provoquer leur accumulation aux dépens de la formation de granules, entraînant ainsi une diminution de l’activité biologique. La résolution de ces problèmes passe par une meilleure connaissance des mécanismes intimes de la granulation et des facteurs qui la gouvernent. Les granules sont constitués exclusivement de microorganismes. Il est généralement admis que leur formation est le résultat de la sélection de bactéries floculantes dans un système à flux ascendant où les cellules libres en suspension sont forcément lessivées. Les granules présentent en outre une organisation bactérienne très complexe. Les microorganismes fermentaires, syntrophes et méthanogènes y sont étroitement associés les uns aux autres, ce qui réduit la distance qui les sépare. Le transfert inter-espèces d’hydrogène et la diffusion des métabolites le long de la chaîne trophique en sont plus efficaces.
L’intégration de la technologie UASB en tant que procédé de prétraitement pour les ERU présente les désavantages suivants :
- faible élimination de pathogènes et nutriments,
- temps d’inoculation et de maturation long,
- nécessité d’un post-traitement et
- nuisances olfactives potentielles si mauvaise gestion du réacteur.
Le brassage à l’intérieur du réacteur UASB est un paramètre clé. Un de plus grandes avances technologiques dans les procédés anaérobies à haute charge est la possibilité de dissocier le temps de résidence hydraulique (dit « TRH ») du temps de résidence de boues (dit « TRS »). À la différence des systèmes aérobies, dans les procès anaérobiques ou anoxiques, la charge maximale permissible est dépendante du taux maximal de réactant pouvant être fourni (e.g. oxygène durant les réactions aérobies), mais dans les digesteurs UASB, la performance est régie par la quantité de biocatalyseurs anaérobiques viables, i.e. la biomasse bactérienne anaérobie, ayant un contact maximum avec les constituants des eaux usées. Les évolutions apportées à l'UASB depuis son invention sont nombreuses. Ainsi, certains chercheurs ont remplacé le séparateur gaz-solide en haut du réacteur par un lit fixe ascendant (dit « UASB-FA »). D'autres équipes ont adapté les conditions de fluidisation d'un lit fluidisé (vitesses de liquide et de gaz) aux lits de boues pour obtenir l'expansion des granules et traiter divers rejets chimiques, biochimiques et biotechnologiques à forte charge. Ce réacteur, appelé EGSB (pour « Expanded Granular Sludge Bed », traduit par « lit de boues granulaire étendu »), traite des charges de pollution plus importantes car les zones mortes sont limitées, ce qui favorise le contact boues/effluent. L’EGSB combine la recirculation de l’effluent à des vitesses ascensionnelles supérieures à 4m. IT1 et des géométries de réacteurs plus hautes (ratio hauteur/diamètre élevé).
La compartimentation de l'espace du réacteur a conduit au réacteur à circulation interne (IC pour « Internai Circulation », traduit par « circulation interne »), qui consiste en deux réacteurs UASB superposés. Le réacteur inférieur fonctionne à forte charge et le biogaz produit est récupéré pour la fluidisation du second réacteur, par effet gaz-lift, situé au-dessus et alimenté à faible charge.
Bien que les ERU soient considérées comme des effluents dilués (DCO < 1000 mg.L 1), elles présentent les caractéristiques d’un effluent complexe, avec une température faible (oscillant entre 15 et 25 °C) et un ratio élevé de MES d’environ 50-65%, i.e. un faible ratio de DCO soluble par rapport à la DCO totale. En conséquence, la conversion totale de la DCO est limitée par la phase d’hydrolyse des composés solides. La gestion et les rendements de cette technologie de méthanisation sont fortement dépendants de la température. Comme toutes les transformations chimiques et biochimiques, la vitesse des réactions qui interviennent en méthanisation augmente avec la température. Toutefois, ces systèmes sont très dépendants de leur température d’opération.
On connait la demande de brevet US 2020 392 025 et le brevet US 8 721 877 qui divulguent des dispositifs de traitement des solides et des gaz des eaux usées. Cependant, de tels dispositifs fonctionnent sous pression atmosphérique et ne permettent donc pas de favoriser l’évaporation du biogaz dissout partiellement dans les eaux traitées et donc une récupération optimale du biogaz. Par ailleurs, de tels dispositifs ne permettent pas d’obtenir des eaux traitées présentant une valeur de DCO optimisée et notamment associée à une concentration de polluants résiduels diminuée. Enfin, les eaux traitées obtenues par ces dispositifs présentent une quantité de flottant encore importante, ces eaux traitées ne présentent donc pas une bonne qualité permettant satisfaire notamment les spécifications prescrites.
Ainsi, il n’existe pas de système satisfaisant permettant d’optimiser le brassage dans le réacteur tout en permettant l’extraction facilitée de biogaz issu du réacteur.
Exposé de l’invention
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif d’épuration selon la revendication 1.
Grâce à ces dispositions, il est possible de créer une première étape de valorisation énergétique dans une filière d’assainissement des eaux résiduaires urbaines (ERU).
Ceci permet de clarifier les ERU et de transformer la pollution en méthane. Ces dispositions présentent notamment trois avantages :
- le transport hydraulique, à travers l’effet d’aspiration de la colonne de remontée, à faible coût énergétique visant à optimiser le brassage dans le digesteur (favoriser le contact entre les boues, catalyseurs anaérobies, et le milieu réactionnel),
- une extraction de biogaz aisée car la pression de saturation se trouve préférentiellement en dessous de la pression atmosphérique (la constante de dissolution d’un gaz est proportionnelle à la pression dans l’enceinte), et
- un contrôle et une évacuation des boues proches de l’optimal.
Plus de biogaz est extrait, meilleur est le brassage à l’intérieur du réacteur. Si le brassage est optimal, meilleure est la performance du réacteur en termes de conversion de la pollution en méthane. Par ailleurs, la présence d’une colonne tampon permet notamment d’optimiser le fonctionnement du digesteur. En effet, une telle colonne tampon permet le démarrage d’un écoulement d’eaux usées vers le digesteur selon des contraintes hydrodynamiques imposées par le procédé de digestion. Notamment, un tel écoulement, ou circulation hydraulique, est provoqué selon le principe de vase communiquant lorsqu’une dépression est appliquée en partie haute du digesteur. Par ailleurs, la colonne tampon et l’écoulement qu’elle provoque lors de la mise en oeuvre du procédé de digestion réalisé par le digesteur, contribue à l’application d’un vide suffisant et notamment une pression négative en partie haute du digesteur et au-dessus de l’eau surnageante.
Dans des modes de réalisation, le digesteur comporte une sortie basse d’eau traitée connectée au déversoir et positionnée selon une troisième hauteur à partir de la partie basse, ladite troisième hauteur étant inférieure à la première hauteur du déversoir. Lorsque la sortie d’eau traitée est disposée en bas du digesteur, l’évacuation d’eau traitée est possible sans aspiration d’air par cette sortie d’eau traitée. Dans ce cas, une telle évacuation est réalisée malgré une pression négative, ou dépression, appliquée en partie haute du digesteur.
Dans des modes de réalisation, la troisième hauteur de la sortie d’eau traitée est inférieure ou égale au niveau d’eaux usées présentes dans la colonne tampon. Grâce à ces dispositions, l’évacuation d’eau traitée est réalisée de manière aisée, par exemple, en partie basse du digesteur. Notamment, une telle évacuation est optimisée par les pressions hydrauliques générées dans le dispositif.
Dans des modes de réalisation, la sortie d’eau traitée comporte, de plus, une vanne d’extraction d’eau depuis le déversoir. Grâce à ces dispositions, l’évacuation d’eau traitée est réalisée lors de l’ouverture de la vanne d’extraction. Ainsi, un débit réglable d’eau traitée est généré notamment en fonction des contraintes de traitement des eaux usées, tel que le volume de ces eaux usées à traiter ou le volume d’eau traitée à générer.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte un capteur de présence d’eau dans le déversoir, au moins la vanne d’extraction étant activée en fonction de la présence d’eau captée. Ces modes de réalisation permettent une transition depuis une configuration dans laquelle la pression du digesteur évolue vers une pression nominale vers une configuration dans laquelle le dispositif est en fonctionnement nominal. Ces modes de réalisation permettent de conserver la vanne en position fermée tant que l’eau n’est pas captée à ce niveau pour éviter l’entrée d’air dans le réacteur.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus :
- une entrée pour biogaz recirculé en partie basse du digesteur, et
- une conduite de recirculation du biogaz issu de la sortie pour biogaz vers l’entrée pour biogaz.
Ces modes de réalisation permettent de favoriser le brassage des boues en partie basse du digesteur.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus, une vanne d’activation de la conduite de recirculation. Ces modes de réalisation, lorsque le dispositif comporte une vanne d’extraction d’eau depuis le déversoir, permettent au dispositif de présenter des modes de fonctionnement distincts en fonction de l’ouverture et de la fermeture des vannes.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention présente un mode de fonctionnement dans lequel la vanne d’activation de la conduite de recirculation et la vanne d’extraction d’eau sont fermées. Ces modes de réalisation permettent une réduction en pression du réacteur propre à la mise en condition opératoire nominale du dispositif permettant une extraction optimale du biogaz et de l’eau.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus :
- un capteur de pression, configuré pour capter une pression opératoire en partie haute du digesteur et
- un régulateur proportionnel, intégral, dérivé, configuré pour réguler le fonctionnement de la pompe à vide en fonction de la pression captée en partie haute du digesteur.
Ces modes de réalisation permettent au dispositif d’atteindre de manière optimale une pression opératoire de fonctionnement. Dans des modes de réalisation, le digesteur comporte, de plus, un réservoir ouvert, la colonne de remontée d’eaux par aspiration de biogaz d’eau comportant, en partie haute du digesteur, une sortie pour biogaz remonté, ladite sortie étant connectée au réservoir ouvert et positionnée selon une quatrième hauteur inférieure à la première hauteur. Ces modes de réalisation permettent de trier les boues, l’eau et le biogaz obtenu dans le digesteur.
Dans des modes de réalisation, la colonne de remontée de biogaz est au moins partiellement entourée d’une zone de décantation.
Dans des modes de réalisation, une cinquième hauteur définissant la limite de la zone de décantation est inférieure à la première hauteur du déversoir. Grâce à cette disposition, la zone de décantation permet de limiter la quantité de particules en suspension, notamment des flottants, d’atteindre la première hauteur du déversoir d’eau traitée. La DCO de l’eau traitée est donc diminuée. Ainsi, la qualité des eaux traitées est améliorée.
Dans des modes de réalisation, la zone de décantation comporte un décanteur lamellaire. Grâce à cette disposition, la zone de décantation permet de limiter de manière plus importante la quantité de particules polluantes en suspension dans l’eau traitée. La décantation est donc optimisée permettant ainsi d’améliorer la qualité de l’eau traitée.
Dans des modes de réalisation, le digesteur comporte, de plus, un séparateur gaz-liquide-solide communiquant avec une extrémité basse de la colonne de remontée d’eaux, le séparateur étant sensiblement conique de révolution et de sommet disposé à l’intérieur de la colonne de remontée d’eaux et étant configuré pour acheminer au moins du biogaz dans la colonne de remontée d’eaux. Grâce à ces dispositions, le séparateur permet l’orientation du biogaz et d’eau vers la colonne de remontée d’eau tout en limitant la remontée de particules solides.
Dans des modes de réalisation, le séparateur conique présente une base et le digesteur comporte, de plus, un déflecteur :
- disposé à une sixième hauteur inférieure à la base du séparateur,
- présentant une extrémité de projection orthogonale sur la base du séparateur, et
- configuré pour orienter l’écoulement du biogaz vers la base.
Grâce à ces dispositions, le déflecteur permet une accumulation de biogaz sur une portion inférieure puis une orientation du flux de biogaz vers le séparateur. Notamment, le biogaz en excès non retenu par la portion inférieure remonte vers la base du séparateur en étant guidé par l’extrémité du déflecteur et est ensuite acheminé vers la colonne de remontée d’eau pour réaliser une remontée d’eau par entraînement au gaz également appelé effet « gazlift ». La coopération entre le séparateur et le déflecteur permet donc un effet gazlift optimisé. Ainsi, l’homogénéisation du mélange présent dans le digesteur est optimale.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte :
- un capteur d’un niveau de remplissage en eaux usées de la colonne tampon, et
- une pompe d’alimentation de la colonne tampon en eaux usées activée en fonction du niveau de remplissage capté.
Ces modes de réalisation permettent de réguler automatiquement la quantité d’eaux usées dans la colonne tampon. Dans de tels modes de réalisations, une régulation de type « PID » peut être mise en œuvre, dans laquelle la fréquence de fonctionnement de la pompe est asservi au niveau liquide de la colonne tampon.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, en aval de la pompe à vide :
- un déshumidificateur du biogaz,
- un moyen d’adsorption pour purifier le biogaz et/ou
- un stockage du biogaz.
Ces modes de réalisation permettent de traiter le biogaz en vue de le conformer à des spécifications de valorisation déterminées.
Dans des modes de réalisation, le digesteur comporte :
- une enceinte thermique configurée pour recevoir un flux d’eau chaude, comportant une entrée pour eau et une sortie pour eau,
- un circuit d’eau chaude comportant :
- une pompe à eau reliée à la sortie pour eau de l’enceinte et
- un échangeur thermique configuré pour chauffer ou refroidir l’eau chaude, l’eau en sortie de l’échangeur thermique étant fournie à l’entrée pour eau de l’enceinte.
Ces modes de réalisation permettent de réguler automatiquement la température de fonctionnement du digesteur.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé d’épuration des eaux usées selon la revendication 19. Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce procédé correspondant à ceux du dispositif objet de l’invention, ils ne sont pas rappelés ici.
Brève description des figures
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de l’invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
La figure 2 représente, schématiquement, le dispositif représenté en figure 1, en amont du démarrage d’un tel dispositif,
La figure 3 représente, schématiquement, le dispositif représenté en figure 1, lors de la mise en œuvre d’un tel dispositif, et la figure 4 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes d’un mode de réalisation particulier du procédé objet de l’invention.
Description des modes de réalisation
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse. Ci-après, on désigne par « vanne » tout de type de vanne connu et adapté à l’usage indiqué contextuellement. Une telle vanne est, par exemple, une vanne motorisée. On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle. On observe, sur la figure 1, qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 100 objet de l’invention. Ce dispositif 100 d’épuration des eaux usées, comporte un digesteur 105 anaérobie sous-vide comportant :
- en partie basse 110, une entrée 115 pour eaux usées,
- en partie haute 120 :
- un déversoir 125 pour eau traitée comportant une sortie 130 pour eau positionnée selon une première hauteur 131 à partir de la partie basse, et
- une sortie 135 pour biogaz positionnée selon une deuxième hauteur 136 supérieure à la première hauteur.
Le dispositif 100 comporte aussi :
- une colonne 140 de remontée d’eaux par aspiration du biogaz depuis la partie basse vers la partie haute,
- une colonne 141 de descentes d’eaux usées non traitées depuis la partie haute vers la partie baisse et
- une pompe 145 à vide reliée à la sortie pour biogaz configurée pour, lorsque ladite pompe est actionnée, provoquer l’écoulement d’eaux depuis la partie basse vers la partie haute.
Le digesteur 105 anaérobie désigne une cuve utilisée dans le processus de méthanisation qui produit du biogaz grâce à un procédé de digestion anaérobie des matières organiques de diverses provenances. Ici, préférentiellement, les matières organiques proviennent d’eaux résiduelles urbaines. Le digesteur 105 est dit « sous-vide », c’est-à-dire que ses conditions opératoires préférentielles se situent à une pression généralement inférieure à la pression atmosphérique. Le digesteur 105 est formellement divisé en deux parties : une partie basse 110 et une partie haute 120 dont les proportions relatives peuvent varier. On appelle généralement « partie basse 110 » la partie du digesteur 105 généralement proche de la base, c’est-à-dire du sol, lorsque le digesteur 105 est en condition opératoire. La partie basse 110 désigne ainsi le lieu de réception des écoulements gravitaires se produisant au sein du digesteur 105. Ce digesteur 105 peut mettre en oeuvre différents dispositifs internes susceptibles d’interagir avec les flux d’écoulements du biogaz, de l’eau et/ou des déchets organiques. Par exemple, le digesteur 105 peut mettre en oeuvre, comme visible en figure 1 , un dispositif d’écoulement à rainures ou ailettes configuré pour répartir les écoulements de manière homogène en partie basse 110. De tels dispositifs permettent d’éviter l’accumulation des boues en un lieu particulier du digesteur 105 susceptible de le désactiver ou a minima d’en réduire le rendement.
En partie basse 110, le digesteur 105 comporte une entrée 115 pour eaux usées. Une telle entrée 115 correspond à une ouverture, préférentiellement reliée à une tubulure, et optionnellement associée à un moyen de commande d’une vanne régissant l’ouverture et/ou la fermeture de l’entrée. Une telle vanne peut être actionnée de manière manuelle ou de manière automatique, à l’aide d’un automate, en fonction de valeurs opératoires préférentielles du digesteur 105. La partie basse 110 du digesteur 105 comporte également un lit de microorganismes, de types bactéries, sélectionnées pour leur capacité à digérer les ERU et produire du biogaz. Notamment, une telle digestion réalisée par les bactéries est réalisée sans oxygène et correspond ainsi à une digestion anaérobie. De tels microorganismes peuvent être supportés par des granules 121 , par exemple des granules bactériennes dites « UASB », disposées au fond de la cuve (c’est-à-dire en partie basse 110) du digesteur 105.
On note qu’une génération d’un lit de bactéries présent dans un digesteur 105 est réalisée selon un procédé connu de l’homme du métier, par exemple par introduction de bactéries dans le digesteur 105 également appelée inoculation du digesteur, ou par introduction des usées à traiter progressive présentant des bactéries qui vont, dans le temps, créer des granules UASB. Les eaux usées présentent ainsi un écoulement ascensionnel dans la surface transversale du réacteur, sauf dans la colonne 141 où l’eau descend.
La partie basse 110 et la partie haute 120 du digesteur 105 sont reliées par une colonne 140 de remontée d’eaux par aspiration du biogaz depuis la partie basse 110 vers la partie haute 120. La partie basse 110 et la partie haute 120 du digesteur 105 sont également reliées par une colonne 141 de descente d’eaux usées non traitées depuis la partie haute vers la partie baisse. Les colonnes 140 de remontée d’eaux par aspiration du biogaz et 141 de descente d’eaux sont, par exemple, coaxiales.
Dans des variantes, le digesteur 105 comporte un moyen de collecte d’eaux usées remontées par l’action d’aspiration du biogaz à travers la colonne 140 de remontée. Ces eaux usées sont ensuite dirigées vers la colonne 141 de descente des eaux usées vers la partie basse du digesteur 105.
Lors de la mise en oeuvre de la pompe 145 à vide, les eaux en partie basse 110 sont aspirées jusqu’à la partie haute du digesteur 105. Les colonnes 140 de remontée et 141 de descente amplifient le brassage au sein du réacteur en canalisant vers le centre le biogaz.
En partie haute 120, le digesteur 105 comporte principalement des sorties pour les différentes espèces d’intérêt générées. En premier lieu, une sortie 130 pour eau alimentée par un déversoir 125 dont la fonction consiste à permettre la sortie de l’eau dépassant une hauteur prédéterminée, dite première hauteur 131, fonction du niveau de dépression, qui est fixé en fonction de la hauteur totale du réacteur, choisie pour correspondre à la hauteur atteinte par l’eau une fois traitée par les microorganismes.
On appelle ici « sortie » du déversoir 125, par exemple, une paroi de rétention des liquides dont le franchissement constitue la sortie 130, de manière analogue au fonctionnement d’un déversoir hydraulique.
On appelle « hauteur » une valeur d’une grandeur physique représentative de la distance entre la base et un point donné du digesteur 105 selon un axe vertical gravitaire. Par complément, la hauteur peut également se mesurer à partir du point le plus haut de la cuve ou tout autre point de référence situé à une altitude plus élevée que le point d’intérêt dont la hauteur est mesurée lorsque le digesteur 105 est en conditions d’opérations.
Dans des variantes préférentielles, le déversoir 125 est relié à une conduite pour écoulement vertical de l’eau traitée vers la partie basse 110, de manière gravitaire ou au moyen d’une pompe, de sorte à contrebalancer l’effet de la pression négative en partie haute 120 du digesteur 105 lors de la sortie de l’eau du digesteur 105.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figure 1, 2 et 3, le digesteur 105 comporte une sortie basse 300 d’eau traitée connectée au déversoir 125. Notamment, une telle sortie basse 300 d’eau traitée est positionnée selon une troisième hauteur 301 à partir de la partie basse, la troisième hauteur 301 étant préférentiellement inférieure à la première hauteur 131 du déversoir 125.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en figure 3, la troisième hauteur 301 de la sortie basse 300 d’eau traitée est inférieure ou égale au niveau d’eaux usées 302 présentes dans une colonne tampon 190. Autrement dit, la colonne tampon 190 comporte des eaux usées, la surface de ces eaux usées étant à une hauteur 302 étant égale à minima à une troisième hauteur 301 de sortie 300 d’eau traitée. Préférentiellement, la troisième hauteur 301 de la sortie basse 300 d’eau traitée est inférieure au niveau d’eaux usées 302 présentes dans une colonne tampon 190.
On note que le dispositif 100 représenté en figure 3 correspond à un mode de fonctionnement du digesteur 105 lorsque la digestion anaérobie est mise en oeuvre. Notamment, dans le digesteur 105, la pression appliquée en partie haute et au-dessus de l’eau surnageante est négative, par exemple égale à -0,5 bar. Dans ce mode de fonctionnement représenté en figure 3, on note que, par exemple, l’eau se déverse dans le déversoir 125 et présente donc un niveau selon une première hauteur 131.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1 , 2 et 3, une sortie basse 300 d’eau traitée comporte, de plus, une vanne 165 d’extraction d’eau depuis le déversoir 125. Par exemple, une vanne 165 d’extraction est une vanne motorisée. Dans des modes de réalisation, la vanne 165 d’extraction d’eau est couplée à une pompe d’extraction d’eau.
Autrement dit, lorsque :
- l’eau dans le digesteur 105 a atteint une hauteur 131 correspondant à la hauteur du déversoir et
- la sortie 130 pour eau du déversoir 125, telle qu’une canalisation 130 connectée au déversoir 125 est remplie d’eau, la vanne 165 d’extraction d’eau est ouverte afin d’assurer l’évacuation des eaux traitées.
Préférentiellement une telle ouverture est réalisée à la suite d’une commande envoyée par un capteur de présence d’eau dans le déversoir 125. À ce moment, dans la canalisation 130, la valeur de pression hydrostatique sera plus importante que la valeur de dépression et l’écoulement d’eau traitée aura lieu sans aspiration d’air extérieur. Notamment, lorsque la sortie 130 pour eau du déversoir 125, telle qu’une canalisation 130 connectée au déversoir 125 est remplie d’eau, un tel remplissage correspond à une garde hydraulique et évite l’aspiration d’air pouvant se produire lorsque la vanne 165 d’extraction d’eau est ouverte.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte un capteur 170 de présence d’eau dans le déversoir 125, au moins la vanne d’extraction 165 étant activée en fonction de la présence d’eau captée.
Le capteur 170 est, par exemple, un capteur capacitif activé par la présence d’eau dans le déversoir 125. La détection d’eau peut correspondre à un changement de régime opératoire du dispositif 100, depuis une phase de montée en puissance jusqu’à une phase opératoire nominale. Ces changements de régime sont décrits ci-après.
En deuxième lieu, le digesteur 105 comporte une sortie 135 pour biogaz, comportant par exemple une tubulure d’extraction du biogaz dont une ouverture est positionnée à la deuxième hauteur. La sortie 135 est configurée pour aspirer le biogaz situé au-dessus de l’eau purifiée et des eaux aspirées par la colonne 141 de descente.
Le mouvement des eaux dans le digesteur 105 est provoqué par l’action de la pompe 145 à vide configurée pour générer une dépression, au niveau de la sortie 135 pour biogaz, inférieure à la pression d’entrée des ERU dans le digesteur 105.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte :
- une entrée 150 pour biogaz recirculé en partie basse 110 du digesteur 105, et
- une conduite 155 de recirculation du biogaz issu de la sortie 135 pour biogaz vers l’entrée 150 pour biogaz.
L’entrée 150 est, par exemple, structurellement similaire à l’entrée 115 pour eaux usées dans les différentes variantes présentées. La conduite 155 de recirculation est, par exemple, une tubulure configurée pour relier l’aval de la pompe 145 à vide et l’entrée 150 pour biogaz en partie basse 110 du digesteur 105. Cette conduite 155 de recirculation peut être associée à un jeu de vannes dont l’actionnement sélectif permet de forcer tout ou partie du flux de biogaz vers ladite conduite 155 de recirculation. Dans une variante minimaliste, la pompe 145 à vide est reliée à une conduite d’évacuation du biogaz et la conduite 155 de recirculation est un piquage sur cette conduite d’évacuation, le piquage et la conduite d’évacuation étant chacun associé à une vanne distincte dont l’activation opposée entraine le passage du biogaz soit dans la conduite d’évacuation, soit dans la conduite 155 de recirculation.
Dans des variantes, la conduite 155 de recirculation est associée à une pompe à gaz et/ou à un clapet anti-retour en amont de l’entrée 155.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte, de plus, une vanne 160 d’activation de la conduite 155 de recirculation. Un exemple de réalisation de la vanne 160 d’activation est présenté ci-dessus tandis que la vanne 165, fonctionnellement, permet l’extraction d’eau depuis le déversoir 125, c’est-à-dire que tant que la vanne 165 d’extraction est fermée, l’eau captée par le déversoir 125 demeure dans le même environnement de pression que le reste du digesteur 105. L’eau quittant le déversoir peut être valorisée de multiples façons.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 présente un mode de fonctionnement dans lequel la vanne 160 d’activation de la conduite 155 de recirculation et la vanne 165 d’extraction d’eau sont fermées.
Un tel mode de fonctionnement correspond à une phase de montée en puissance ou d’initialisation du dispositif 100 dans laquelle le vide est fait dans le digesteur 105. Pour que le vide soit fait, les sorties et entrées du digesteur 105 doivent être en position fermées. À mesure que le vide se fait, les eaux sont remontées le long du digesteur 105, de la partie basse 110 à la partie haute 120 et ce jusqu’à ce que de l’eau traitée entre dans le déversoir 125. Lorsque de l’eau entre dans le déversoir 125, une vanne 165 est ouverte, permettant la sortie de l’eau traitée. D’autres régimes de fonctionnements sont décrits ci-après.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte, de plus : - un capteur 175 de pression, configuré pour capter une pression opératoire en partie 120 haute du digesteur 105, et
- un régulateur PID 180, configuré pour réguler le fonctionnement de la pompe 145 à vide en fonction de la pression captée en partie haute du digesteur 105.
Le capteur 175 de pression peut être de tout type connu de l’homme du métier qui corresponde aux conditions opératoires du dispositif 100 notamment en termes de température, de pression ou d’humidité. Le régulateur PID 180, pour « proportionnel, intégral, dérivé » est un système de contrôle permettant d’améliorer les performances d'un asservissement, c'est-à-dire un système ou procédé en boucle fermée. Ici, la pompe 145 à vide est asservie à la pression captée par le capteur 175.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1, 2 et 3, le digesteur 105 comporte, de plus, un réservoir ouvert 303. Un tel réservoir est dit « ouvert » puisqu’il présente une ouverture au moins partielle communiquant avec la partie haute du digesteur 105 dans laquelle est appliquée une pression négative également nommée dépression. Autrement dit, lors de la mise en oeuvre du digesteur 105, la pression à l’intérieur du réservoir ouvert 303 est égale à la dépression appliquée par la pompe 145 à vide en partie haute du réservoir et notamment au-dessus de l’eau surnageante. On note qu’un tel réservoir est connecté à la colonne 140 de remontée d’eaux 140.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1 , 2 et 3, la colonne 140 de remontée d’eaux par aspiration du biogaz 304 comporte, en partie haute 120 du digesteur 105, une sortie 185 pour biogaz 304 remonté, la sortie étant :
- connectée au réservoir ouvert 303 et
- positionnée selon une quatrième hauteur 186 inférieure à la première 131 hauteur.
Ce différentiel de hauteur est dû au taux de rétention gazeuse dans la zone au-dessus de la colonne 140 de remontée d’eaux par aspiration du biogaz.
Ceci permet de respecter un double déséquilibre :
- la sortie 135 pour biogaz est située à une altitude plus élevée que la sortie 130 pour eau du déversoir 125,
- la sortie 185 pour eaux de la colonne 140 est située à une altitude moins élevée que la sortie 130 pour eau du déversoir et à une altitude moins élevée que la sortie 135 pour biogaz. Le niveau liquide dans ce secteur, et notamment à l’intérieur du réservoir ouvert 303, est plus élevé par effet « gazlift », c’est-à-dire par ascension du biogaz entraînant des eaux usées. Ce niveau liquide est représenté avec un deuxième trait 187 rayé.
Autrement dit, la colonne 140 permet la montée, par effet gazlift, de l’eau avec du biogaz correspondant à un mélange diphasique gaz/liquide. Au niveau de la sortie 185 pour eaux de la colonne 140 à l’intérieur du réservoir ouvert 303, le mélange diphasique va se décanter :
- le biogaz est aspiré en partie haute du digesteur 105 au niveau de la sortie 135 pour biogaz, et
- l’eau va redescendre dans la colonne 141 de descentes d’eaux usées non traitées, telle qu’une canalisation, présentant une sortie vers la zone du lit des boues pour optimiser le brassage.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1, 2 et 3, une colonne 140 de remontée de biogaz est au moins partiellement entourée d’une zone de décantation 305. Une telle zone de décantation 305 est également appelée zone de clarification. Préférentiellement, une cinquième hauteur 306 définit la limite de la zone de décantation 305. Plus préférentiellement, la cinquième hauteur 306 est inférieure à la première hauteur 131 du déversoir 125. On note qu’une telle zone de décantation permet de favoriser la décantation et donc la séparation des flottants et des matières en suspension dans l’eau.
Dans des modes de réalisation, la zone de décantation 305 comporte un décanteur lamellaire. On note qu’un décanteur lamellaire présente des plaques disposées parallèlement afin d’augmenter la surface de décantation. Les lamelles sont disposées obliquement de manière à guider le glissement des matières sédimentées et les flottants vers le fond du décanteur lamellaire.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1, 2 et 3, le digesteur 105 du dispositif 100 comporte, de plus, un séparateur gaz-liquide-solide 307 communiquant avec une extrémité basse de la colonne 140 de remontée d’eaux. Préférentiellement, le séparateur 307 est sensiblement conique de révolution et présente un sommet disposé à l’intérieur de la colonne 140 de remontée d’eaux. On note qu’un tel séparateur 307 est configuré pour acheminer au moins du biogaz pour réaliser l’effet gazlift dans la colonne de remontée 140 d’eaux. De plus, le séparateur conique 307 présente une base 310 représentée par un cercle en pointillé.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1, 2 et 3, le digesteur 105 comporte, de plus, un déflecteur 308 :
- disposé à une sixième hauteur 309 inférieure à la base 310 du séparateur 307,
- présentant une extrémité de projection orthogonale sur la base 310 du séparateur et
- configuré pour orienter l’écoulement du biogaz 304 vers la base 310.
Dans ces modes de réalisation, une partie de l’eau initialement présente en partie basse du digesteur 105 circule vers la zone de décantation 305 en passant entre l’espace délimité par la base 310 du séparateur 307 et l’extrémité du déflecteur 308.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, le dispositif 100 comporte une colonne 190 tampon configurée pour recevoir des eaux usées, ladite colonne tampon comportant :
- une entrée 195 pour eaux usées,
- une prise 200 d’air atmosphérique, et
- l’entrée 115 pour eaux usées du digesteur 105 étant reliée à la colonne 190 tampon et configurée pour fournir des eaux usées par dépression.
La colonne tampon 190 a pour fonction principale de servir de réservoir duquel, par aspiration, des eaux à traiter sont aspirées vers le digesteur 105. L’entrée 195 est, par exemple analogue à l’entrée 115 du digesteur 105. La prise 200 d’air atmosphérique est, par exemple, une ouverture vers l’environnement extérieur au dispositif 100, optionnellement susceptible d’être fermée ou non au moyen d’un clapet ou d’une vanne. Lorsque la colonne tampon 190 est présente, l’entrée 115 pour eaux usées peut être réduite à une conduite n’étant pas obturée ou obturable entre le digesteur 105 et la colonne tampon 190.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte :
- un capteur 205 de niveau de remplissage en eaux usées de la colonne 190 tampon, et
- une pompe 210 d’alimentation de la colonne 190 tampon en eaux usées activée en fonction du niveau de remplissage capté. Le capteur 205 est, par exemple, un capteur à ultrasons. Lorsque le niveau de remplissage capté est inférieur à une valeur limite prédéterminée, ou une valeur dynamique calculée en fonction du débit de la pompe 145 à vide ou de la pression captée à l’intérieur du digesteur 105, la pompe 210 est par exemple configurée pour injecter des eaux usées dans la colonne 190 tampon. Inversement, lorsque le niveau de remplissage capté est supérieur à une valeur limite prédéterminée, ou une valeur dynamique calculée en fonction du débit de la pompe 145 à vide ou de la pression captée à l’intérieur du digesteur 105, la pompe 210 est par exemple configurée cession l’injection d’eaux usées.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte, en aval de la pompe 145 à vide :
- un déshumidificateur 215 du biogaz,
- un moyen 220 d’adsorption pour purifier le biogaz et/ou
- un stockage 225 du biogaz.
Le déshumidificateur 215 est, par exemple, un condensateur de vapeurs d’eau résiduelles présentes dans le biogaz. Le moyen 220 d’adsorption est, par exemple, une colonne d’adsorption à charbons actifs ou un autre média d’adsorption poreux comme silice ou zéolithes. Dans des variantes, le moyen 220 d’adsorption peut également être plus complexe si la qualité de biogaz requise en sortie doit être supérieure, par exemple de type « PSA » (pour « Pressure Swing Adsorption », traduit par adsorption par inversion de pression). Le stockage 225 peut correspondre à une conduite de transport ou à une cuve, par exemple.
Préférentiellement, le dispositif 100 comporte, de plus :
- un déshumidificateur 215 du biogaz,
- un moyen 220 d’adsorption pour purifier le biogaz déshumidifié et
- un stockage 225 du biogaz purifié.
Dans des modes de réalisation, le digesteur 105 comporte :
- une enceinte 230 thermique configurée pour recevoir un flux d’eau chaude, comportant une entrée 235 pour eau et un garde hydraulique de protection du gazomètre 225,
- un circuit 245 d’eau chaude comportant :
- une pompe 250 à eau reliée à la sortie 240 pour eau de l’enceinte 230 et
- un échangeur 255 thermique configuré pour chauffer ou refroidir l’eau chaude, l’eau en sortie de l’échangeur 255 thermique étant fournie à l’entrée 235 pour eau de l’enceinte 230.
Ci-dessous, deux régimes de fonctionnement sont présentés. Dans les deux exemples, la condition de démarrage est atteinte lorsque le niveau liquide se situe à un mètre de hauteur dans la colonne tampon et dans le digesteur 105.
Dans le premier régime de fonctionnement, dit « fonctionnement régulé », les étapes du processus suivant sont réalisées :
- initialement, une fermeture d’une vanne 165 de sortie des eaux traitées du digesteur 105 est réalisée pour éviter l’aspiration d’air atmosphérique à l’intérieur du digesteur 105, rendant impossible l’amorçage du dispositif 100,
- ouverture d’une vanne 101 d’amorçage et fermeture d’une vanne 102 d’extraction du biogaz et d’une vanne 160 de recirculation du biogaz, - mise en route de la pompe 145 à vide jusqu’à atteindre une pression de consigne dépendant de la hauteur du digesteur 105 choisie - dans cet exemple, le digesteur 105 est haut de six mètres, soit une pression 500 mbarA (-0,5 barG),
- maintien de la pression de consigne par régulation PID entre un variateur de fréquence différentielle de la pompe 145 à vide un capteur 175 de pression installé en partie haute 120 du digesteur 105 (le régime de la pompe à vide est asservi à la pression),
- régulation du niveau de liquide à l’intérieur de la colonne 190 tampon par PID entre le régime de la pompe d’alimentation des ERU et le niveau de liquide capté par le capteur 205,
- introduction des ERU prétraitées dans la colonne 190 tampon (après procédé de dégrillage en tête de station d’épuration, par exemple), remplissant le digesteur 105 par dépression,
- ouverture de la vanne 165 de sortie des eaux lorsque le capteur 170 de présence d’eau détecte est activé par la présence d’eau,
- fermeture de la vanne 101 d’amorçage et ouverture de la vanne 102 d’extraction,
- les eaux traitées sont refoulées car le fil d’eau se situe dans une zone de pression positive ; le niveau du liquide de la colonne 190 tampon et la sortie s’équilibrent en fonction du débit d’eau à l’entrée 115,
- le système fonctionne de manière stable ; les eaux traitées sortent du digesteur 105 par une sortie 130 dédiée et une boucle de circulation à l’intérieur du digesteur 105 est créée par effet d’élévation du biogaz amplifié par le vide ; le taux de rétention de gaz augmente avec le niveau de dépression,
- le biogaz produit est extrait par la pompe 145 à vide et passe par une étape d’élimination des polluants pouvant être absorbés dans le réseau de vide (mousses et écumât) via un bac des condensats,
- le biogaz passe ensuite par une étape de déshumidification ; l’élimination des condensats s’effectue gravitairement,
- le biogaz passe ensuite par un moyen d’adsorption au charbon actif extrudé ou tout autre matériel adsorbant pour éliminer l’espèce H2S,
- le biogaz est stocké dans un gazomètre à double-membrane (30 mbarsG) jusqu’au moment de son utilisation ; un garde 240 hydraulique de 50 mbarsG est associé à ce dispositif 100,
- l’évacuation des boues granulaires s’effectue lorsque le compartiment des boues en excès est plein ; à ce stade, une sonde 260, par exemple capacitive, enclenche la procédure de vidange temporisée vers une zone de déshydratation solaire (minéralisation boues),
- la hauteur du compartiment est suffisante pour que les boues granulaires stockées présentent un temps de rétention des solides (traduit par « Solid Retention Time » et abrévié SRT) équivalente à 30 jours (conditions psychrophiles 12-25°C) ; ceci afin d’assurer ainsi sa correcte hygiénisation par digestion anaérobie et
- la régulation thermique du digesteur 105 est possible par la circulation d’eau chaude dans le circuit 245 et l’isolation thermique.
Tout ou partie de cet exemple peut être mis en oeuvre dans un mode de réalisation avantageux bénéficiant, ponctuellement ou synergétiquement, des avantages unitaires procurés par ces parties. On observe, sur la figure 2, qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 100 objet de l’invention. En figure 2, on note que le dispositif 100 n’est pas en fonctionnement, c’est-à-dire que la pompe à vide 145 n’est pas activée. Autrement dit, en figure 2, le dispositif 100 n’a pas encore démarré et aucune dépression permettant une mise sous vide n’est exercée. On observe, en figure 2, que le niveau d’eaux usées dans la colonne tampon 190 est égal au niveau d’eaux usées dans le digesteur 105 par équilibre des pressions. Autrement dit, les surfaces des eaux usées présentes dans la colonne tampon 190 et le digesteur 105 sont à pression atmosphérique.
On observe, sur la figure 3, qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 100 objet de l’invention. En figure 3, on note que le dispositif 100 est en fonctionnement, c’est-à-dire que la pompe à vide 145 est activée et qu’une dépression constante, également appelée pression négative, est appliquée en partie haute du digesteur 105. On observe, en figure 3, que le niveau d’eaux usées dans la colonne tampon 190 est inférieur au niveau d’eaux usées dans le digesteur 105. Notamment, la surface d’eaux usées dans la colonne tampon 190 est à pression atmosphérique et la surface d’eaux usées présentes dans le digesteur 105 est soumise à une pression négative relative, par exemple par rapport à la pression atmosphérique. Une telle pression négative est, par exemple, égale à -500 mbarG.
On observe, en figure 4, schématiquement et sous forme d’un logigramme, un mode de réalisation du procédé 400 objet de l’invention. Ce procédé 400 d’épuration des eaux usées, comporte :
- une étape 405 de digestion anaérobie sous-vide, dans un digesteur, comportant :
- une étape 410 d’entrée d’eaux usées en partie basse du digesteur,
- une étape 411 de génération d’un lit de microorganismes en partie basse du digesteur, les microorganismes comportant des bactéries,
- une étape 415 de remontée, dans colonne de remontée d’eaux du digesteur depuis la partie basse vers une partie haute du digesteur,
- une étape 420 de déversement, par un déversoir en partie haute du digesteur, de l’eau traitée comportant une étape 425 de sortie d’eau dans une sortie pour eau du déversoir pour eau positionnée selon une première hauteur,
- une étape 430 de sortie pour biogaz, par une sortie de biogaz positionnée selon une deuxième hauteur supérieure à la première hauteur,
- une étape 431 de descente, dans une colonne de descente d’eaux usées, depuis la partie haute vers la partie basse du digesteur, et
- une étape 435 de pompage à vide reliée à la sortie pour biogaz configurée pour, lorsque ladite pompe est actionnée, provoquer l’écoulement d’eaux depuis la partie basse vers la partie haute ; et
- une étape 440 d’entrée d’eaux usées dans une colonne tampon,
- une étape 445 de prise d’air atmosphérique dans la colonne tampon, et
- une étape 450 de fourniture, par dépression, des eaux usées présentes dans la colonne tampon au digesteur, le digesteur étant connecté à la colonne tampon.
Dans des modes de réalisation, le procédé 400 comporte, de plus, en amont de l’étape 420 de déversement, une étape de décantation pour la séparation entre l’eau et des matières solides. Ces étapes ont été décrites, mutatis mutandis, en regard des figures 1, 2 et 3. Préférentiellement, les moyens et les éléments du dispositif 100 sont configurés pour mettre en oeuvre les étapes du procédé 400 et leurs modes de réalisation tels qu’exposés ci-dessus et le procédé 400 ainsi que ses différents modes de réalisation peuvent être mis en oeuvre par les moyens et les éléments du dispositif 100.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (100) d’épuration des eaux usées, caractérisé en ce qu’il comporte un digesteur (105) anaérobie sous-vide comportant :
- en partie basse (110), une entrée (115) pour eaux usées, la partie basse étant configurée pour recevoir un lit de microorganismes, les microorganismes comportant des bactéries,
- en partie haute (120) :
- un déversoir (125) pour eau traitée comportant une sortie (130) pour eau positionnée selon une première hauteur (131) à partir de la partie basse, et
- une sortie (135) pour biogaz positionnée selon une deuxième hauteur (136) supérieure à la première hauteur,
- une colonne (140) de remontée d’eaux par aspiration du biogaz depuis la partie basse vers la partie haute,
- une colonne (141 ) de descentes d’eaux usées non traitées depuis la partie haute vers la partie baisse, et
- une pompe (145) à vide reliée à la sortie pour biogaz configurée pour, lorsque ladite pompe est actionnée, provoquer l’écoulement d’eaux depuis la partie basse vers la partie haute, et
- une colonne (190) tampon configurée pour recevoir des eaux usées, la colonne comportant :
- une entrée (195) pour eaux usées, et
- une prise (200) d’air atmosphérique ; l’entrée (115) pour eaux usées du digesteur étant reliée à la colonne tampon et configurée pour fournir des eaux usées par dépression.
2. Dispositif (100) selon la revendication 1 , dans lequel le digesteur (105) comporte une sortie basse (300) d’eau traitée connectée au déversoir (125) et positionnée selon une troisième hauteur (301) à partir de la partie basse, ladite troisième hauteur étant inférieure à la première hauteur (131) du déversoir.
3. Dispositif (100) selon la revendication 2, dans lequel la troisième hauteur (301 ) de la sortie basse (300) d’eau traitée est inférieure ou égale au niveau d’eaux usées (302) présentes dans la colonne tampon (190).
4. Dispositif (100) selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel la sortie basse (300) d’eau traitée comporte, de plus, une vanne (165) d’extraction d’eau depuis le déversoir (125).
5. Dispositif (100) selon la revendication 4, qui comporte un capteur (170) de présence d’eau dans le déversoir (125), la vanne d’extraction (165) étant activée en fonction de la présence d’eau captée.
6. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 5, qui comporte, de plus :
- une entrée (150) pour biogaz recirculé en partie basse (110) du digesteur (105) et
- une conduite (155) de recirculation du biogaz issu de la sortie (135) pour biogaz vers l’entrée (150) pour biogaz.
7. Dispositif (100) selon la revendication 6, qui comporte, de plus, une vanne (160) d’activation de la conduite (155) de recirculation.
8. Dispositif (100) selon les revendications 4 et 7, qui présente un mode de fonctionnement dans lequel la vanne (160) d’activation de la conduite (155) de recirculation et la vanne (165) d’extraction d’eau sont fermées.
9. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 8, qui comporte :
- un capteur (175) de pression, configuré pour capter une pression opératoire en partie (120) haute du digesteur (105) et
- un régulateur (180) proportionnel, intégral, dérivé, configuré pour réguler le fonctionnement de la pompe (145) à vide en fonction de la pression captée en partie haute du digesteur.
10. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le digesteur (105) comporte, de plus, un réservoir ouvert (303), la colonne (140) de remontée de biogaz comportant, en partie haute (120) du digesteur, une sortie (185) pour biogaz remonté, ladite sortie étant connectée au réservoir ouvert et positionnée selon une quatrième hauteur (186) inférieure à la première (131 ) hauteur.
11. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la colonne (140) de remontée de biogaz est au moins partiellement entourée d’une zone de décantation (305).
12. Dispositif (100) selon la revendication 11, dans lequel une cinquième hauteur (306) définissant la limite de la zone de décantation (305) est inférieure à la première hauteur (131 ) du déversoir (125).
13. Dispositif (100) selon l’une des revendications 11 ou 12, dans lequel la zone de décantation 305 comporte un décanteur lamellaire.
14. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel le digesteur (105) comporte, de plus, un séparateur gaz-liquide-solide (307) communiquant avec une extrémité basse de la colonne (140) de remontée d’eaux, le séparateur étant sensiblement conique de révolution et de sommet disposé à l’intérieur de la colonne de remontée d’eaux et étant configuré pour acheminer au moins du biogaz (304) dans la colonne de remontée d’eaux.
15. Dispositif (100) selon la revendication 14, dans lequel le séparateur conique (307) présente une base (310) et le digesteur (105) comporte, de plus, un déflecteur (308) :
- disposé à une sixième hauteur (309) inférieure à la base du séparateur,
- présentant une extrémité de projection orthogonale sur la base du séparateur et
- configuré pour orienter l’écoulement du biogaz vers la base.
16. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 15, qui comporte, de plus :
- un capteur (205) d’un niveau de remplissage en eaux usées de la colonne (190) tampon et
- une pompe (210) d’alimentation de la colonne tampon en eaux-usées activée en fonction du niveau de remplissage capté.
17. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 16, qui comporte, en aval de la pompe (145) à vide :
- un déshumidificateur (215) du biogaz,
- un moyen (220) d’adsorption pour purifier le biogaz et/ou
- un stockage (225) du biogaz.
18. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 17, dans lequel le digesteur (105) comporte une enceinte (230) thermique configurée pour recevoir un flux d’eau chaude, comportant une entrée (235) pour eau et une sortie (240) pour eau, et un circuit (245) d’eau chaude comportant : 19
- une pompe (250) à eau reliée à la sortie pour eau de l’enceinte et
- un échangeur (255) thermique configuré pour chauffer ou refroidir l’eau chaude, l’eau en sortie de l’échangeur thermique étant fournie à l’entrée pour eau de l’enceinte.
19. Procédé (400) d’épuration des eaux usées, caractérisé en ce qu’il comporte une étape (405) de digestion anaérobie sous-vide, dans un digesteur, comportant :
- une étape (410) d’entrée d’eaux usées en partie basse du digesteur,
- une étape (411 ) de génération d’un lit de microorganismes en partie basse du digesteur, les microorganismes comportant des bactéries,
- une étape (415) de remontée, dans colonne de remontée d’eaux par aspiration du biogaz depuis la partie basse vers une partie haute du digesteur,
- une étape (420) de déversement, par un déversoir en partie haute du digesteur, de l’eau traitée comportant une étape (425) de sortie d’eau dans une sortie pour eau du déversoir pour eau positionnée selon une première hauteur,
- une étape (430) de sortie pour biogaz, par une sortie de biogaz positionnée selon une deuxième hauteur supérieure à la première hauteur,
- une étape (431) de descente, dans une colonne de descente d’eaux usées, depuis la partie haute vers la partie basse du digesteur, et
- une étape (435) de pompage à vide reliée à la sortie pour biogaz configurée pour, lorsque ladite pompe est actionnée, provoquer l’écoulement d’eaux depuis la partie basse vers la partie haute,
- une étape (440) d’entrée d’eaux usées dans une colonne tampon,
- une étape (445) de prise d’air atmosphérique dans la colonne tampon, et
- une étape (450) de fourniture, par dépression, des eaux usées présentes dans la colonne tampon au digesteur, le digesteur étant connecté à la colonne tampon.
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