Brevet FR2386328A1 — publié le 19781103

La présente invention concerne l'équipement pour l'épuration des eaux naturelles et des eaux d'égouts et, plus précisément, les dispositifs de clarification d'un liquide très trouble. L'invention peut être utilisée dans les procédés de séparation des suspensions à haute concentration dans différents secteurs de la technologie chimique, dans l'industrie de la cellulose et du papier, dans l'industrie alimentaire, dans l'industrie minière et dans d'autres branches de l'industrie. On connaît largement les dispositifs de clarification des eaux naturelles et des eaux d'égouts coutenant des particules en suspension, qui utilisent le principe de la décantation en couche mince. On connatt en particulier un décanteur à plusieurs étages destiné à débarrasser les eaux naturelles et des eaux d'égouts des matières en suspension par la méthode de précipitation par gravitation. Il comprend un réservoir cylindrique à fond annulaire conique. Ce réservoir renferme un Jeu de plateaux inclinés dotés de cloisons directrices radiales. les plateaux supérieur et inférieur comportent un élé- ment distributeur courbe. Au-dessus du bord intérieur des plateaux est montée une cloison cylindrique munie d'un couloir annulaire d'accumulation de l'eau clarifiée. Sous le jeu de plateaux coniques se trouve une chambre conique de floculation. Ce dispositif fonctionne de la façon suivante. l'eau à traiter est amenée en parallèle à la chambre supérieure et à la chambre inférieure de floculation. Après avoir traversé la chambre de floculation, l'eau passe par les cloisons de distribution et arrive dans l'espace situé entre les plateaux coniques radiaux, où l'eau clarifiée est reçue dans le couloir d'accumulation, alors que la matière floculée glisse dans l'espace de distribution d'entrée, puis la matière floculée se déplace vers le bas à l'encontre du courant d'eau et ~s'accumule dans le fond annulaire conique, d'où elle est périodiquement évacuée dans l'égout. Dans le dispositif décrit ci-dessus, l'espace d'entrée se trouve vite rempli, lorsque la teneur en particules suspendues est élevée (c'est-à-dire que la turbidité est supérieure à 300-500 mg/l), ce qui conduit à un déroulement défectueux du procédé de clarification Je ~'eau tos trcubl. En outre, ce dispositif est compliqué, en raison des difficultés de montage des éléments en plateau à couche mince et des cloi sons courbes dans l'espace d'entrée. Une distribution uniforme du courant en amont des éléments à couche mince et la suppression de la turbulence du courant sont assurées à l'aide d'un dispositif connu se composant de deux modules tubulaires montés l'un au-dessus de l'autre de manière que le module inférieur azure la dissipation de l'énergie du courant de liquide amené, alors que le module supérieur crée une vitesse uniforme du courant ascendant, l'inclinaison de chaque rangée de tubes du module étant opposée à l'inclinaison de la rangée de tubes précédents. Ce dispositif est encombrant, ce qui augmente dans une certaine mesure le coût de l'équipement du dispositif et défavorise le déroulement du procédé de clarification de l'eau, surtout si la teneur de l'eau à clarifier en particules suspendues est élevée; en outre, ce dispositif est d'un entretien compliqué. Dans l'un des dispositifs connus, on propose de précipiter les particules solides des suspensions liquides. Ce dispositif comprend une cellule inclinée comportant un conduit percé d'un grand nombre de trous servant à admettre le liquide à l'intérieur de la cellule. La partie supérieure de la cellule est ouverte, et sa partie inférieure communique avec un réservoir d'accumulation d'eau. Uns distribution uniforme du courant dans ce dispositif est assurée à l'aide de plaques déflectrices parallèles montées dans une unité d'entrée coazialement par rapport au courant d'entrée. le liquide à traiter arrive aux cellules à travers les trous du conduit d'alimentation. les cloisons déflectrices assurent une distribution uniforme du courant sur toute la largeur de la cellule. Ce dispositif présente cependant l'inconvénient de compliquer l'amenée de l'eau à traiter, cette amenée se faisant par un conduit percé d'un grand nombre de trous disposés entre chaque paire de plaques. En outre, lorsque la teneur de l'eau en matières suspendues est élévée, les organes d'admission se bouchent et le fonctionnement du dispositif devient moins efficace. On connatt un autre dispositif qui est du plus grand intérêt et dans lequel l'eau contenant des matières en suspension est traitée dans une couche pulsatoire de précipité. Ce dispositif comprend un réservoir doté d'une chambre d'edmission de l'eau à traiter, des conduits de distribution de cette eau, des plaques inclinées disposées dans la zone de la couche en suspension, et d'un système d'éva- cuation de l'eau clarifiée et du précipité. l'eau à traiter est amenée au réservoir par un système de conduits et d'éléments nervurés. les tubes et les plaques inclinées sont disposés dans la zone du précipité en suspension. le précipité glisse sur la surface des plaques, alors que l'eau à clarifier monte sur ces plaques, pour être ensuite évacuée par des chéneaux et des tubes. le contact entre les particules en suspension et le précipité provoque des tourbillons locaux, ce qui accélère le processus de floculation et améliore le procédé de clarification de l'eau. Une distribution uniforme du courant dans la section du réservoir et une accélération de la floculation des particules dans la couche en suspension sont obtenues à l'aide d'un canal de distribution comprenant un grand nombre de tubes distributeurs entre chaque paire de dissipateurs d'énergie dans la zone de précipité en suspension et d'éléments nervurés parallèles à l'axe du courant d'entrée. le dispositif décrit ci-dessus est cependant assez compliqué, malgré des avantages bien évidents au point de vue de la conception et de la fabrication. Certaines difficultés peuvent apparattre si on l'utilise pour la clarification des suspensions à haute concentration et des eaux très troubles. Ces difficultés proviennent inévitablement du colmatage et du bouchage de l'organe d'admission et des tubes distributeurs percés de trous ou de fentes servant à amener le liquide à traiter à la zone de la couche en suspension. le but de l'invention est d'éviter les inconvénients indiqués ci-dessus. L'invention a pour but de fournir un dispositif de clarification d'un liquide qui serait de faible encombrement et réalisé de manière à améliorer le processus technologique de clarification des eaux très troubles d'une teneur de 2 500 à 5 000 mg/l ou plus en particules suspendues dans le courant, et à augmenter le coefficient d'utilisation volumétrique du dispositif et sa productivité gråce à une distribution uniforme du courant et des particules suspendues dans le courant dans l'organe d'entrée et dans les systèmes de distribution. le but visé est atteint par le fait que dans un dispositif de clarification d'un liquide comprenant un réservoir doté d'une tubulure d'admission du liquide à clarifier et divisé en une zone de floculation et une zone de précipitation en couche mince des particules suspendues dans le courant de liquide, selon l'invention, la tubulure d'admission du liquide à clarifier est réalisée sous la forme d'un diffuseur dont l'angle d'ouverture est d'environ 80 à environ 140, et dans la zone de floculation est disposé un diviseur du courant de liquide amené au réservoir, ce diviseur se composant de plaques régulièrement espacées suivant la section transversale du réservoir, l'une des extrémités de ces plaques se terminant par une queue à section en V avec un angle d'ouverture voisin de l'angle droit et orienté à l'encontre du courant de liquide ascendant circulant dans le réservoir, les plaques étant disposées dans des plans perpendiculaires à l'axe du diffuseur. Il est avantageux de disposer lesdites plaques parallèlement les unes aux autres. le liquide à traiter arrive au réservoir, dans la zone de floculation du clarificateur, par une tubulure en forme de diffuseur. Ce diffuseur à angle d'ouverture de 8 à 140 assure une amenée latérale continue de l'eau à traiter dans le réservoir. le choix de cet angle d'ouverture s'explique par le fait que lorsque l'angle d'ouverture dépasse 140, la vitesse du courant diminue nettement, alors que la pression statique augmente. Il se crée alors suivant toute la longueur du diffuseur un état tel que, selon l'équation de Bernoulli, la réserve d'énergie cinétique du courant dans la couche limite devient insuffisante pour surmonter le gradient de pression positif, et le courant se décolle des parois du diffuseur.Dans le cas envisagé, le décollement du courant est exclu et l'on assure la continuité de l'amenée d'eau à traiter, ce qui, l'amenée latérale aidant, assure la précipitation des matières en suspension de plus grande grosseur hydraulique (supérieure à 0,5 à 0,6 mm/s, par exemple) dans la zone de précipitation du dispositif située immédiatement après l'arrivée dans la zone de floculation où, perpendiculairement à l'axe du courant d'entrée, sont disposées des plaques verticales se terminant à une extrémité par une queue à section en V dont l'angle d'ouverture est voisin de l'angle droit et orienté à l'encontre du courant de liquide montant dans le réservoir.Ces plaques assurent une distribution uniforme du courant de liquide dans tout le volume utile du réservoir. le courant ascendant de liquide à traiter passe par les espaces longitudinaux existant entre les plaques et se diri ge vers un module à couche mince se composant d'éléments inclinés, par exemple d'un faisceau de tubes à configuration variée en section transversale, de plaques alvéolaires, etc.. Une amenée régulière du courant aux éléments à couehe mince est obtenue grecs au mouvement orienté du liquide le long des parois rectilignes des plaques. On évite ainsi que les courants locaux ne se décollent des plaques à queue à section en V que l'ensemble du diviseur ne se bouche.Une distribution régulière des vitesses dans le courant et un régime hydrodynamique stable favorisent une distribution uniforme des particules en suspension dans le courant dans toute la section de la couche en suspension et dans les éléments à couche mince. Dans les canaux inclinés à couche mince se produit la séparation des particules en suspension et du liquide en couche laminaire. le précipité glisse dans le sens opposé à celui du mouvement du courant ascendant, le long de la génératrice inférieure de l'élément à couche mince, puis vers la zone de floculation. les mouvements contraires du courant ascendant et du courant descendant dans les zones rétrécies situées entre les queues des plaques, le déplacement des courants et la formation de tourbillons locaux ont pour effet de pultiplier les collisions entre les particules du courant ascendant et les flocons formés, de les agrd- ger et d'augmenter la grosseur hydraulique.Ceci provoque une précipitation intense des flocons également dans la zone de précipitation en couche mince. le précipité glissant des éléments à couche mince traverse la couche en suspension, entratne avec lui les gros flocons du courant ascendant et se précipite avec eux dans la zone de précipitation du dispositif, Grâce à cela, non seulement l'efficacité de la floculation est augmentée, mais encore tout le volume utile est utilisé de manière rationnelle, et dont le coefficient d'utilisation volumétrique du dispositif s'accro#t. Il est à noter que plus la concentration des matières en suspension dans l'eau à traiter est élevée, plus le processus décrit cidessus est intense, c'est-#-dire que la turbidité élevée augmente la productivité du dispositif au lieu de la diminuer. L'effet de clarification du liquide dans le dispositif atteint 90 à 95 % ou plus. Dans le cas du traitement d'eaux très troubles contenant des particules argtlelsps, 7a sritesss se mouvement 1e 2'#au dans la zone de précipitation en couche mince peut être augmentée Jusqu'à 4,0 à 6,0 mm/s. Un avantage important consiste en ce que l'organe d'admission et les systèmes de distribution du dispositif ne se colmatent pas et que son régime hydrodynamique est stable. Le dispositif de clarification peut être utilisé dans les procédés aussi bien réactifs que non réactifs de clarification des eaux naturelles et d'égouts et assure une efficacité élevée de clarification. le dispositif est peu encombrant, très productif, facile à monter et à utiliser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple et en se référant au dessin annexé, dans lequel la Fig. 1 est une vue d'ensemble d'un dispositif de clarification d'un liquide suivant l'invention, du type sous pression; la Fig. 2 est une vue d'ensemble d'une variante de dispositif de clarification d'un liquide suivant l'invention, du type à l'air libre. les dispositifs de clarification d'un liquide des Fig. 1 et 2 sont réalisés sous la forme d'un réservoir rectangulaire ou cylindrique en plan, fabriqué en métal ou en béton armé. l'amenée du liquide à clarifier au réservoir 1 sous une pression hydrodynamique se fait par une tubulure en diffuseur 2 raccordée au corps extérieur du réservoir. L'angle d'ouverture du diffuseur est de 8 à 140. le réservoir est divisé en deux zones: une zone de floculation ), où se produisent la coagulation et le grossissement des particules en suspension dans le liquide, et une zone de précipitation contenant des jeux de plaques inclinées planes et parallèles ou des Jeux d'éléments tubulaires 4 inclinés sous un angle de 45 à 600 par rapport à l'horizontale. L'évacuation de l'eau clarifiée du dispositif du type sous pression(Fig. 1) se fait par un conduit 5 monté dans la partie supérieure du réservoir 1. Dans le dispositif du type sans pression ou à l'air libre (Fig. 2), le liquide clarifié est recueilli dans des chéneaux 6, son prélèvement étant réparti sur toute la surface du dispositif, et évacué vers un récipient d'accumulation d'eau clarifiée. Dans la zone de floculation 3 est disposé un diviseur du courant de liquide amené dans le réservoir, se composant des plaques 7 régulièrement espacées suivant la section transversale du réservoir 1 et dont l'une des extrémités se termine par une queue à section en V dont l'angle d'ouverture est voisin de l'angle droit et orienté contre le sens du courant ascendant. Les extrémités annulaires desdites plaques sont fixées sur les parois opposées du réservoir 1. les plaques 7 sont disposées dans des plans perpendiculaires à l'axe du diffuseur 2. le précipité est reçu dans une zone de précipitation 8 du réservoir 1 à fond conique, d'où le précipité est évacué à l'égout par une tubulure 9. Pour éliminer la couche de précipité s'accumulant dans la partie inférieure du dispositif, il est prévu un conduit télescopique sous pression 10 réalisé sous forme d'un tuyau à section variable doté d'ajutages inclinés constitués par des buses 11 ayant un diamè- tre d'orifice de 10 à 12 mm, disposées de part et d'autre du conduit 10 à une distance de 1 à 2 m lune de l'autre. Ce conduit télescopique sous pression est disposé dans la partie de plus grande accumulation du précipité de la zone 8 du dispositif. les ajutages, soudés aux tubes, présentent une longueur de 40 à 50 mm et sont disposés dans la partie inférieure et dans la partie latérale du conduit télescopique 10. l'angle d'inclinaison des ajutages inférieurs et supé rieurs par rapport à l'axe du conduit est de 45 à 75 . le fonctionnement du dispositif est le suivant. Après qu'on lui ait ajouté un coagulant et un floculant, ou bien sans addition des réactifs, l'eau à clarifier est amenée sous une pression hydrodynamique dans la zone de floculation 3 par le diffuseur 2. A l'entrée de l'eau à clarifier dans cette zone, les particules de plus grande grosseur hydraulique en suspension dans le courant sont précipitées dans la zone de précipitation 8, et il se produit une clarification partielle de l'eau (5 à 10 40 ou plus). Passant ensuite par les espaces libres du diviseur du courant, le liquide à clarifier est uniformément distribué suivant la section utile de la zone de floculation 3 et égalisé gracie au mouvement orienté le long des parois des queues des plaques verticales. On évite ainsi que les courants locaux se décollent des queues des plaques et qu'il se forme des tourbillons à Entrée des éléments à couche mince 4.Une distri butin unit orme des vitesses dans le courant et un régime hydrodynamique stable favorisent une distribution uniforme de la concentration des particules en suspension dans le courant suivant toute la section de la zone de floculation 3 et dans les éléments à couche mince 4. le processus de séparation des particules en suspension et du liquide dans le décanteur à couche mince s'effectue en régime laminaire (nombre de Reynolds Reis 500). le précipité glisse dans le sens opposé au sens de mouvement du courant ascendant, suivant la génératrice inférieure d'un élément à couche mince 4, puis sur une plaque 7 du diviseur du courant vers la zone de floculation ou de couche en suspension avec une distribution uniforme du précipité suivant la section du réservoir 1. le liquide clarifié est évacué par le conduit 5 (Fig. 1) ou par les chéneaux 6 (Fig. 2) et canalisé vers des dispositifs de filtrage pour épuration supplémentaire. Dans le cas de la clarification d'eaux à turbidité élevée, surtout si une partie importante de la matière en suspension contient des particules de nature minérale (particules argileuses) le processus d'évacuation du précipité des installations d'épuration d'eau est très compliqué. Ceci stexplique par l'intensité de la cinétique de l'accumulation et de l'épaississement du précipité, par le poids élevé et par une haute résistance au déplacement des particules en différents points suivant la profondeur de la couche de précipité. Pour cette raison, il est prévu dans le dispositif un système simplifié d'évacuation hydrodynamique du précipité accumulé dans la zone de précipitation 8. Pour que 11 évacuation hydrodynamique du précipité ainsi épaissi de la zone 8 soit complète, il est nécessaire de détruire le précipité par des Jets d'eau à vitesse élevée et de créer un courant de fond entratnant le précipité en suspension. Dans la zone 8 du dispositif se trouve le conduit télescopique sous pression 10 doté d'ajutages inclinés disposés de part et d'autre du conduit. le précipité accumulé dans la zone de précipitation est détruit par les jets d'eau sortant des ajutages inclinés et évacué du dispositif par la tubulure 9 vers l'égout. La vitesse élevée d'éjection des jets sortant des ajutages 11 réalisés sous forme de buses assure une destruction instantanée de la couche solide de précipité et facilite son évacuation hors du réservoir 1, sans qu'il soit nécessaire d'interrompre le processus de clarification du liquide. les paramètres de calcul du système hydrodynamique de destruction de la couche de précipité sont déterminés par les caractéristi ques du précipité: par sa résistance au déplacement et par la cinétique de l'accumulation et de l'épaississement. Le calcul hydraulique du système d'évacuation du précipité est effectué suivant la loi de mouvement du liquide à masse variable suivant le trajet de débit. Si le calcul et la construction de ce système sont corrects, la consommation d'eau pour l'évacuation du précipité de la zone de précipitation du dispositif est très faible: elle est de 0,5 à 2 % de sa production. Dans les installations à faible productivité (jusqu'à 2 500 m3/ jour), il est possible de ne pas prévoir de système d'évacuation du précipité. Dans ce cas, la zone de précipitation du dispositif est réalisée sous la forme d'un cane à un angle d'inclinaison de 45 à 600, ce qui assure le glissement du précipité sur ses parois. La haute productivité, le faible encombrement, la simplicité de montage et d'utilisation et la capacité de clarifier les liquides pratiquement de n'importe quelle turbidité permettent une utilisation efficace du dispositif selon l'invention pour effectuer la séparation des particules solides contenues dans les liquides. le dispositif selon l'invention peut être disposé en amontd'installations de filtrage ou d'autres installations d'épuration supplémentaire (décanteurs ou clarificateurs d'épuration très poussée du liquide). le volume utile du réservoir du dispositif est utilisé d'une manière extrémement rationnelle grâce à la disposition des zones de décantation, de floculation et de précipitation, ce qui permet de porter au maximum le coefficient hydraulique d'utilisation volumétrique des éléments actifs du dispositif. les vitesses de mouvement du liquide à clarifier dans les éléments inclinés à couche mince sont nettement augmentées. Dans le cas du traitement d'eaux très troubles contenant des particules argileuses d'adsorption, la vitesse du mouvement ascendant du courant dans la zone de la couche en suspension peut être augmentée de 3 à 5 fois par rapport aux vitesses atteintes dans les clarificateurs ordinaires et dans les décanteurs horizontaux à floculateurs incorporés. le dispositif peut 8-tre utilisé darda sa version sous pression ou à l'air libre avec la productivité voulue. Revendications 1 - Dispositif de clarification d'un liquide, du type comprenant un réservoir doté d'une tubulure d'admission du liquide à clarifier et divisé en une zone de floculation et une zone de précipitation en couche mince des particules en suspension dans le courant de liquide, caractérisé par le fait que la tubulure d'admission du liquide à clarifier est réalisée sous la forme d'un diffuseur dont l'angle d'ouverture est d'environ 80 à environ 140, et en ce que dans la zone de floculation est disposé un diviseur du courant de liquide amené dans le réservoir, ce diviseur se composant de plaques régulièrement espacées suivant la section transversale du réservoir et dont une des extrémités se termine par une queue à section en V avec un angle d'ouverture voisin de l'angle- droit et orienté à lten- contre du courant de liquide ascendant circulant dans le réservoir, lesdites plaques étant disposées dans des plans perpendiculaires à l'axe du diffuseur. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites plaques sont disposées parallèlement les unes aux autres.