Brevet FR2267285A1 — publié le 19751107

La présente invention concerne un procédé à cycle continu pour la production d'eau distillée, de vapeur d'eau et de résidus stérilisés à partir d'eau polluée provenant de décharges industrielles. Les eaux polluées qui sont rejetées par les industries chi miqiies, biochimiques et pharmaceutiques, par les raffineries de pétrole, tanneries, bains de galvanisation1 etc.. sont souillées par des hydrocarbures, des résidus de masses biochimiques facilement fermentables à Il air, par des composés toxiques et par des sels minéraux. Le contenu de substances polluantes est très Supérieur aux vale:irs prescrites par les règlementations sanitaires concernAnt la décharge des eaux usées dans les cours doleau ou dans la mer. Il atteint fréquemment des degrés de pollution et des pourcentages de résidus solides des centaines de fois supérieurs aux maxima prévus par les normes pour la sauvegarde, l'écologie du miriazd Comme on le sait, l'un des procédés les plus répandus pour l'épuration est le procédé biologique.#ans le cas spécifique du traitement des eaux industrielles polluées, il se trouve très fréquemment que le traitement biologique n'est pas applicable à cause de la présence d'agents polluants toxiques ou, plus fréquemment encore, n'est applicable qu'à des prix de revient excessive- ment élevés, soit du fait des installations nécessaires, soit du fait du cott du fonctionnement au mètre cube d'eau à traiter.On peut en trouver les causes dans la haute concentration des hydrocarbures, des substances complexes qui, mUme lorsqu'elles sont biodégradables, exigent des temps très prolongés pour leur réduction à des valeurs se rapprochant des valeurs maximales prévues par les règlements sanitaires0 Le plus souvent ces valeurs sont impossibles à atteindre non plus que des caractéristiques de couleur ou d'odeur inférieures aux normes. Il est alors nécessaire de recourir à l'emploi de substances actives absorbantes.Mais les lits absorbants sont rendus inactifs par les macromolécules et par les sels contenus dans l'eau traitée biologiquement et le prix de revient du traitement de Liteau est par la suite augmenté par la consommation considérable d'absorbants actifs, Un autre procédé connu, appliqué dans l'industrie, est celui de la séparation de l'eau épurée dans les installations de distillation à multiple effet. Dans ce cas, la consommation de calories nécessaire pour l'évaporation de l'eau est prépondérante dans le prix de revient du procédé. Cette consoimation peut entre réduite en augmentant le nombre des stades d'évaporation que comporte l'installation jusqu'à l'opération sous vide.La vapeur d'eau produite au dernier stade est condensée sous le plus grande vide possible tandis qu'il est possible de prélever un résidu concentré, formé de substances organiques et de sels minéraux. Les inconvénients présentés par l'utilisation des installations précitées à multiple effet sous vide, pour l'épuration des eaux industrielles sont les suivants :- a) le cott de l'installation est d'autant plus élevé que le nombre de stades est plus grand; b) la consouation de calories est élevée mEme quand elle est réduite #ce à la mise en place du plus grand nombre possible de stades, d'où un prix de revint élevé de l'épuration de l'eau;; c) l'eau séparée dans le multiple effet contient tous les hydrocarBures légers dont le point d'ébullition est inférieur à celui de l'eau et en outre les hydrocarbures qui ont un point d' é- bullition voisin de celui de l'eau. Pourtant la teneur en substances biodégradantes est élevée; d) le résidu qui est prélevé au dernier stade a ane forte teneur en eau car la viscosité élevée de ce résidu aux basses températures de fonctionnement du dernier stade ne permet pas une concentration ultérieure du résidu. Dans les cas où la dispersion du résidu dans la terre nest pas possible, il est nécessaire de recourir à l'incinération et à l'épuration des gaz produits dans cette opération, ce qui entrain une augmentation sensible du cott de l'épuration de l'eau polluée et des installations correspondantes. Le problème de l'épuration de l'eau polluée industrielle apparaît ainsi comme résolu imparfaitement jusqu'à maintenant sur le plan économique et sur le plan technique. Par ailleurs, il convient de se rappeler que les eaux pol luées proviennent de l'eau douce dont les quantités disponibles sont toujours limitées et dont le cabot est toujours élevé à cause des dépenses nécessaire pour l'approvisionnement , le filtrage éventuel et/ou le traitement partiel d'adoucissement. C'est pourquoi le procédé théoriquement le plus adéquat est celui qui, avec la dépense minlinale, épure l'eau industrielle polluée en produisant un eau utilisable et demandée par l'industrie elle-même, et en retirant des résidus non putrescibles et non pol fluents qui peuvent entre dispersés dans les terres agricoles sans aucun dommage écologique. La demanderesse a trouvé un nouveau procédé pour l'épuration des eaux industrielles polluées, qui fait ltobjet de la présente invention et pour lequel il nXexi8te pas de limitations d'emploi quant à la composition des substances polluantes ou à leur concentration. En outre cette invention réalise un cycle dit "intégral" parce que 1' eau épurée retourne à l'établissement industriel d'où elle provenait, et cela sous forme d'eau distillée et de vapeur, ainsi que les hydrocarbures contenus éventuellement dans l'eau pol luxée, tandis que le résidu concentré, constitué par les substances polluées, est dispersé dans des terrains agricoles sans dommages écologiques. Â cet effet le procédé conforme à la présente invention prévoit de soumettre l'eau polluée aux opérations suivantes 1) Neutralisation de l'eau, Si elle est acide, moyennant l'addition d'une base inorganique; 2) Dégazéification et séparation des composés organiques et inorganiques, solubles dans l'eau, et dont la température d'ébulli- tion est plus basse que celle de l'eau; 3) Séparation de l'eau du résidu solide au moyen d'un distillateur à multiple effet sous pression, au dernier stade duquel est prélevée de la vapeur d'eau à une pression adéquate pour son utilisation comme moyen de chauffage; ; 4) Expansion sous vide du résidu déchargé au dernier stade du multiple effet, pour obtenir la concentration maximale du résidu par évaporation de l,eau sous vide et en méme temps par son re froidissesent. De grandes quantités de substances polluantes et aussi des concentrations toxiques et/ou non biodégradables n'ont aucun effet négatif dans le procédé et dans les produits obtenus. De basses températures de l'eau polluée ne sont pas avantageuses pour le cycle économique du procédé, mais n'influent pas de façon sensible car, lorsque l'eau polluée est disponible à la Dans les cas où l'eau est hautement polluée par une vaste garnie d'hydrocarbures, la vapeur produite a une teneur en hydrocarbures qui peut atteindre 1000 pipa, Dans ces cas l'eau de condensation obtenus par la condensation de cette vapeur, après son utilisation, peut être envoyée à traiter par des absorbants en vue de son épuration jusqu'à moins de 50 ppm d'hydrocarbures. Le nombre de stades ou étages du double effet et sa pression de fonctionnement sont respectivement déterminés par le rapport entre la quantité d'eau polluée et la quantité de vapeur que l'on désire produire, et par la pression de la vapeur produite. Â la limite mimimale d'un seul effet la quantité de calories nécessaire pour séparer l'eau, à l'état de vapeur, de l'eau pol luée est à peu près égale à celle qui est nécessaire pour produire une quantité égale de vapeur à la se pression dans une chaudière normale à pression moyenne. Par exemple les essais d'épuration exécutés sur un multiple effet à cinq stades, alimenté en eau polluée à 300 contenant 0,2% de substances organiques et azéotropiques à température d'ébulli- tion inférieure à 950C (alcools, halogènes, paraffines, naphtànes, etc..), 1,05* de substances organiques à température supérieure à 1100C ( hydrocarbures et microorganismes), 0,84% de sels inorgani- ques, ont donné des résultats pratiques précisés ci-dessous. Le traitement de 1000 kg d'eau polluée produit - solvants légers à 80% de concentration 2,4 kg - eau distillée à 40% avec moins de 50 ppm de substances organiques et désodorisées 771 kg - vapeur d'eau à 5 atm0 175 " - résidu concentré à 41% de substance sèche 46,2 kg - eau de condensation provenant de la vapeur à 15 atm. utilisée dans le cycle de traite ment. ~ 214 kg Pour le traitement des 1000 kg d'eau polluée visée ci-dessus, la consommation de vapeur d'eau saturée à 15 atm. est de 214 kg (y compris les déperditions thermiques; corrélativement la consommation de calories pour l'épuration des 1000 kg d'eau ressort à 27800 calories, égale à la différence entre la chaleur totale des 214 kg de vapeur à 15 atm. consommée et les 175 kg de vapeur produits à 5 atm. température ambiante, un système d'échangeurs de chaleur assure le préréchauffage de l'eau par la récupération des calories contenues dans l'eau de condensation prélevée du multiple effet. Le stade de dégazéification et de séparation des composés dont la température d'ébullition est inférieure à celle de liteau intervient de préférence par distillation. Dans la majorité des cas il n'est pas nécessaire de prélever à l'extérieur du procédé les calories nécessaires pour effectuer la dégazéification, et la séparation des hydrocarbures légers de l'eau polluée, puisque les calories récupérées sur liteau de condensation prélevée par le multiple effet, sont suffisantes. On sépare ainsi les hydrocarbures légers et les azéotropes qui ont une température d'ébullition inférieure à 9500. Â leur tour, dans le résidu concentré qui est prélevé après expansion sous vide, dont il est question au point 4, restent les hydrocarbures dont la température d'ébullition est supérieure à 11000. Si les essais de laboratoire exécutés sur un échantillon d'ea * Ilude démontrent la présence d'hydrocarbures dont le point d'ébullition est compris entre 950C et 11000 et/ou la présence de composés dont l'odeur est désagréable (mercaptans, amines, etc..), il convient alors de prévoir le traitement de l'eau de condensation qui en provient par des substances absorbantes. Les essais exécutés sur installation pilote ont montré que l'eau de condensation, prélevée sur le multiple effet, est désodorisée et que le contenu de substances organiques est réduit à des quantités inférieures à 50 ppm après le traitement par des absor banats. Les absorbants ne sont pas désactivés et ont une activité qui dure plus de deux ans. Pour régénérer les absorbants on peut employer de la vapeur d'eau surchauffée jusqu'à environ 20000. L'eau récupérée par le procédé ressort épurée et avec une teneur de substances organiques inférieure à 50 pp; elle est donc propre à l'alimentation des chaudières, à l'usage dans les procédés industriels comme eau de traitement, etc... la vapeur produite présente des caractéristiques analogues à celles de l'eau récupérée et est apte à servir comme moyen de réchauffage puisqu'elle est complètement exempte de gaz et d'hyrro carbures ayant une température d'ébullition inférieure à 9500 et supérieure à 11000. Le rendement thermique est supérieure à 80%. En pratique, le procédé peut Titre considéré comme un trains formateur de vapeur dans lequel le rendement thermique est d'autant plus élevé que le nombre des stades du double effet est plus réduit. Par exemple dans un multiple effet à deux stades le rendement thermique pratique ( y compris les déperditions thermiques dans le milieu extérieur) monte à 91,5%. Dans ce cas, la quantité de vapeur produite est d'environ 0,92 kg par kilogramme de vapeur consommé pour le cycle complet d'épuration de l'eau polluée. Les avantages opératoires et économiques du procédé considéré se résument comme suit : - possibilité de fonctionner avec tout type quelconque d'eau polluée; - séparation des hydrocarbures légers et utilisation de ceux ci; - production d'eau épurée d'une teneur en composés organiques inférieure à 50 ppa; - production de vapeur d'eau en quantité réglable selon la consoimation et à pression constante contrôlée; dans les limites prévues (par exemple de 2 atm. à 10 atm); - production dtun résidu d'une teneur en substance sèche qui peut atteindre 50 de concentration; - rendement thermique élevé, comparable à celui d'une chau dière pour la production de vapeur d'eau; - consormation de matières absorbantes très réduite à cause de leur régénérabilité jusqu'à un temps de fonctionnement moyen supérieur à 2 ans. De moyen de chauffage employé peut étre de la vapeur d'eau à pression moyenne ou un combustible liquide et/ou gazeux. Dans ce dernier cas l'évaporateur du premier stade est remplacé par une chaudière et/ou un four dans lequel on peut brûler les hydrocarbures produits et/ou le résidu. Dans les dessins annexés (figure 1 & et 13) on a représenté, d'une façon simplifiée, le schéma de l'installation servant à réaliser le procédé objet de la présente invention. L'eau polluée rejetée par l'industrie arrivant à travers 10 est recueillie dans le réservoir de décantation ou de neutralisation 11 pour lequel il est prévu une alimentation 15 en solution neutralisante. Les résidus décantés légers 12 et lourds 13 sont séparés de l'eau. La pompe 14 envoie l'eau décantée aux échangeurs 16 et 17 dans lesquels cette eau est préréchauffée en contrecourant des eaux de condensation avant d'être apportée à la colonne de distillation 18. De la teste de la colonne 18 sont prélevés, à travers 19, les gaz, les hydrocarbures et les mélanges azéotropique s ayant une température d'ébullition inférieure à 95 C. Le condenseur 20 de la tette de la colonne condense les hydrocarbures en formant le reflux à la colonne ( canalisation 21) pour obtenir une concentration adéquate des composés précités. Les gaz sont prélevés (cnta- lisation 19) à pression constante et envoyés à l'incinérateur et/ou au four, tandis que le liquide distillé (canalisation 22) est envoyé au stockage pour le contrtle par analyse avant son utilisation comme combustible, solvant, etc... Le bouilleur 23 du fond de la colonne 18 fournit les calories nécessaires à la distillation et est chanffé par l'eau de condensation ou par de la vapeur produite par le multiple effet, selon le meilleur bilan thermique du cycle de traitement. La pompe 24 prélève du fond de la colonne 18 l'eau déga- zéifiée et débarrassée des solvants, et l'envoie (canalisation 25) à l'échangeur de chaleur 26 dans lequel elle est préréchauffde par l'eau de condensation ( canalisation 28) de l'évaporateur 27-Â. L'eau ainsi préréchauffée est fournie au premier stade par l'unité de distillation à multiple effet. Chaque stade ou étage du multiple effet est constitué par un séparateur 29 et par un évaporateur 27. L'évaporateur peut être extérieur ou intérieur au séparateur de vapeur. La circulation du liquide dans l'évaporateur peut zetre naturelle à thermosiphon ou forcée au moyen d'une pompe de recirculation. Le nombre de stade varie selon la quantité de vapeur que l'on désire produire. Le dessin illustre un triple effet avec évaporateur extérieur et circulation forcée. La vapeur primaire pour le réchauffement du premier stade est condensée dans l'évaporateur 27-À et le produit de sa condensation va (canalisation 28) préréchauffer 1' eau polluée dans les échangeurs de chaleur 26, 17 et 16, avant de retourner à la chau diète. La vapeur génératrice dans le premier stade (séparateur de vapeur 29-A) est à une température inférieure à celle de la vapeur de réchauffage, et elle va réchauffer le second stade en se condensant dans l'évaporateur 27-B, La pression de fonctionnement dans le second stade étant inférieure à celle du premier stade, la vapeur produite par le pre mier stade peut se condenser dans # Tévaporateur 27-3 et produire une quantité à pe Irès égale de vapeur dans le second stade (séparateur de vapeur 29-R3. Lteau polluée accroît la concentration de résidu sec au premier stade et passe par une différence de pression dans le second stade od se produit une augmentation ultérieure de la concentration du résidu sec, moyennant 11 évaporation de l'eau. Dune manière analogue, le troisième stade fonctionne à une pression inférieure au second et la vapeur produite par le second stade se condense dans l'évaporateur 27-C du troisième stade en produisant une quantité de vapeur telle qu'elle obtienne la concentration du résidu déchargé par le troisième stade, au pourcentage désire'. A cet effet, une partie de la vapeur produite au second stade est prélevée (canalisation 70) et envoyée au collecteur (canalisation D1) de la vapeur de production. La pression de la vapeur produite est réglable selon les besoins. La différence de pression entre la vapeur de chauffage in troduite dans le multiple effet et la vapeur produite est d'environ 6 kg/cm2; toutefois, on peut obtenir des différences de pression in 11 eau, et refroidi à une température suffisamment élevée pour maintenir la viscosité à des valeurs compatibles avec le transport par tubes. La vapeur produite en 32 est condensée en 33 tandis que l'éjecteur 34 assure le maintien constant du vide désiré. L'eau de condensation du condenseur 33 et celle de l'djec- teur sont déchargées dans un collecteur et renvoyées au réservoir d'eau polluée. Le résidu prélevé sur l'évaporateur 32 est d'une concentration variant de 35 à 50 suivant sa composition et le degré de viscosité. Il trouve normalement à s'employer comme matériau d'addition aux fertilisants; sinon il est brillé dans un incinérateur. De l'eau distillée, séparée comme produit de la condensation dans les évaporateurs 27-S et 27-C, on récupère la chaleur dans les échangeurs 23 , 17 et 16 (canalisation 35) et on envoie ensuite cette eau, Si cela est nécessaire à l'absorption ( 36 et/ou 37), à la désodorisation et à 11 épuration. Le fonctionnement de l'installation peut dtre rendu aisément automatique aux paramètres voulus sur la base des essais effectués sur des échantillons d'eau polluée. Il est à noter que le prix de revient de l'installation industrielle décrite ci-dessus ne s'élève qu'à environ 40% du coft d'une installation biologique traditionnelle pour l'épuration des mimes quantités et qualités d'eau polluée et que sa consommation en calories est environ 25% de la consommation d'une installation traditionnelle à multiple effet. Il ne faut pas oublier que dans la forme de réalisation décrite ci-dessus la séparation des produits dont le point dlébul- lition est proche de celui de liteau, s'effectue au moyen d'une colonne de distillation, mais qu'il reste entendu que pour la meme opération on pourrait adopter d'autres systèmes. En outre il faut souligner le fait que le procédé qui fait l'objet de la présente invention, non seulement n'implique pas seulement ltépuration d'eaux polluées par des décharges industrielles, mais encore détermine la production d'une certaine quantité de vapeur qui demeure utilisable dans le réseau de l'établissement considéré, 1l reste entendu que l'invention a été décrite en se référant à des aspects et à des modes de réalisation considérés comme préférables, mais que des modifications et des variantes équivalentes et évidentes pour les techniciens de la branche intéressée, sont possibles sans sortir du domaine de cette invention. - REvE#.T1DIC4TioNs 1.- Procédé continu pour l'épuration d'eaux polluées par des déchets industriels, caractérisé par des opérations de : a) dégazéification et séparation des composés organiques et inorganiques ayant un point d'ébullition inférieur à 950C; b) production d'eau épurée à faible teneur en substances organiques et/ou inorganiques, bouillant entre 95 et 1100 C, et production simultanée de vapeur d'eau à basse et/ou à moyenne pression, grace à 1' emploi d'un système de distillation à multiple effet sous pression, lequel concentre le résidu sec contenu dans l'eau polluée à des valeurs supérieures à 30%;; c) refroidissement du résidu déchargé pour le multiple effet, grace à 11 expansion sous vide avec évaporation ultérieure d'eau et augmentation de la concentration du résidu. 2.- Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que la séparation des gaz et des composés organiques, inorganiques et de leurs mélanges à température d'ébullition inférieure à 1000 s'effectue par distillation. 3.- Procédé conforme à lune des revendications 1 ou 2, dns lequel le multiple effet opère à tous ses stades sous une pression supérieure à la pression atmosphérique et produit de la vapeur d'eau utilisable comme source d'énergie, en améliorant le bilan énergétique de tout le procédé. 40- Procédé conforme à l'une des revendications 1, 2 ou 3 caractérisé par le fait que les eaux de condensation obtenues pendant l'utilisation de la vapeur produite sont épurées jusqu'à des teneurs de substances organiques inférieures à 50 ppm, grtce à l'emploi d'absorbants actifs régénérables. 5.- Installation de traitement des eaux usées mettant en oeuvre un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4.