Brevet FR2378722A1 — publié le 19780825

L'élimination efficace et économique des impuretés organiques dissoutes avant l'évacuation ou la réutilisation des eaux provenant des eaux résiduaires d'origine municipale, hospitalière et industrielle, constitue un souci croissant du monde moderne. A cause de la grande diversité des impuretés possibles (comme les phénols, l'urée, les détergents, les acides organiques, les al- cools et autres solvants, les résidus biologiques etc.), et du fait des procédés couramment utilisés pour leur traitement, chaque eau résiduaire nécessite un procédé de traitement différent. En outre, on s'aperçoit de plus en plus qu'au moins un de ces procédés - la chloration - peut conduire à des produits de réaction cancérigènes par réaction avec certains de ces composés organiques dissouts. Devant une telle situation, et à cause des critères de qualité de l'eau toujours plus stricts établis par les diverses autorités en matière d'environnement, on a mis au point et appliqué dif férents moyens pour éliminer ces impuretés. On peut citer parmi ces procédés, des techniques basées sur la dégradation biologique, l'oxydation par l'ozone, l'absorption par du carbone, l'échange d'ions, et particulièrement dans le cas ou les quantités en cause ne sont pas trop importantes, l'incinération. Grâce à l'expérience acquise par la mise en oeuvre de tous ces procédés, on s'est toutefois aperçu que tous souffraient d'un ou plusieurs inconvénients d'ordre économique ou technique.Par exemple, les techniques de dégradation biologique reposent sur l'utilisation d'organismes qui sont souvent tout à fait spécifiques en ce qui concerne les types de matériaux qu'ils attaquent. Leur utilité diminue donc en présence de mélanges d'impuretés de types très différents. De plus, beaucoup d'impuretés sont toxiques et/ou induisent des mutations dans les organismes ce qui modifie le mode de réponse. En dernier lieu, les organismes eux-memes peuvent présenter un risque pour l'homme si bien qu'il faut prendre des mesures supplé- mentaires pour éviter qu'ils ne s'échappent du système de traitement. L'ozonisation des eaux résiduaires constitue un autre procédé de traitement largement utilisé. On a trouvé qu'elle était efficace pour éliminer différents types d'impuretés et pour transformer les impuretés en sous produits relativement inoffensifs. Toutefois, à peu près invariablement, la vitesse totale d'élimi- nation de la plupart des types d'impuretés lorsqu'on utilise de ozone seul, est assez lente et il faut plusieurs heures de traitement. On peut remédier à- cet inconvénient-dans une-certaine mesure en augmentant la réactivité de itimpureté organique avec l'o- zone en irradiant simplement le courant eau/gaz avec de la lumiè- re ultra-violette. L'ozone présente encore l'avantage d'être facilement produite sur le lieu d'utilisation. L'absorption sur du carbone constitue encore une autre technique largement utilisée pour l'élimination des impuretés organiques dissoutes dans les eaux résiduaires. On sait maintenant, grace aux travaux de Golan et Collaborateurs, que l'aptitude du carbone à réagir varie très fortement en fonction des types d'impuretés. Les travaux de Golan sur l'utilisation du carbone pour le traitement des eaux résiduaires provenant d'hopitaux militaires montrent que l'utilisation de temps de traitement aussi longs que 4 heures ne permettaient pas d'éliminer complètement toutes les impuretés organiques présentes. On a attribué ce résultat au colmatage des fissures superficielles qui sont nécessaires pour permettre la pénétration des eauxresiduaires contaminées à l'inte- rieur du carbone.La réutilisation du carbone nécessite généralement son enlèvement physique des réacteurs de traitement et sa régénération. L'extraction au moyen de solvants et les techniques thermiques, souvent utilisées pour cette régénération, sont ellesmêmes relativement inefficaces pour la plupart des applications et se traduisent par des dépenses supplémentaires importantes et des difficultés logistiques importantes quant au système de traitement. Golan dans ses travaux, a estimé que les cocus de fo..c- tionnement journaliers d'un système d'absorption par du carbone, étaient plusieurs fois supérieurs à ceux requis par un système à base d'ozone d'une capacité semblable.En dernier lieu, l'élimina- tion du carbone usé constitue non seulement une dépense supplémen- taire, mais peut entraîner, avec de nombreux types de polluants, de graves difficultés secondaires de pollution de L'eau ou de l'air. Beaucoup de difficultés identiques se retrouvent lors de l'utilisation de résines échangeuses d'ions et des techniques d'adsorption sur des polymères. Ces techniques peuvent être effi caces pour des polluants particuliers mais elles ont tendance à faire preuve d'insuffisance pour une utilisation générale et leur régénération par les techniques de lavage crée un nouveau courant polué qu'il faut lui-même éliminer. On peut pour cela utiliser-l'incinération, mais cela constitue encore également une dépense supplémentaire pour le système de traitement. La présente invention a donc pour objet de fournir un procédé amélioré de traitement des eaux résiduaires qui soit d'application générale pour l'élimination des impuretés organiques dissoutes dans les effluents municipaux, hospitaliers et industriels, et un procédé amélioré de régénération du système de traitement. La présente invention se propose de fournir un procédé de mise en fonctionnement d'un système dans lequel on réalise en même temps l'élimination des impuretés et la régénération du système pour permettre un travail en continu. L'invention a enfin pour objet de fournir un procédé de mise en oeuvre d'un système complet qui soit moins couteux à construire, à faire fonctionner et à entretenir que ceux de l'art antérieur de même capacité. En bref, le procédé qui fait l'objet de la présente invention comprend la concentration et la destruction presque simul tanée des impuretés organiques dissoutes dans les eaux résiduaires d'origine municipale, hospitalière et industrielle. On y parvient en adsorbant tout d'abord les impuretés organiques sur un matériau adsorbant convenable placé dans le courant d'eau et au travers duquel l'eau doit s'écouler. Ceci a pour effet de concentrer ces matériaux organiques dans un volume relativement restreint comparé à la masse du courant d'eau traitée. En même temps que cette concentration se produit, on attaque aussi les impuretés organiques par un courant d'agent oxydant convenable introduit dans le courant d'eau juste au dessous du(es) lit(s) de matériau adsorbant. On transforme ainsi les impuretés organiques en eau, en dioxyde de carbone, et en autres sous produits inoffensifs. A cause des quantités d'impuretés et des concentrations en oxydant atteintes dans les lits de matériau adsorbant, le rende ment global de la destruction des impuretés organiques est considérablement accru par rapport aux techniques de l'art antérieur et est obtenu en une fraction du temps nécessaire aux procédés de l'art antérieur. Ce haut niveau d'efficacité permet aussi l'épuration rapide des lits de matériau absorbant et fournit une technique, in-situ, efficace pour la régénération dynamique des lits de matériau adsorbant. On peut même accélérer la réponse totale du système a la fois en ce qui concerne la gamme, et la vitesse de l'élimination des impuretés. On peut, par exemple, incorporer des catalyseurs d'oxydation dans le matériau adsorbant. On peut réaliser chacun des lits de matériau absorbants eux-mêmes avec des produits adsorbants différents pour optimiser la réponse vis-a-vis de divers types d'impuretés. De la même façon, on peut utiliser différents types de matériaux d'oxydation. Quand on utilise de l'ozone on peut aussi employer l'irradiation des lits de matériau adsorbant avec de la lumière ultra violette ou avec des ultrasons pour accroître encore l'efficacité du système.De cette manière, on peut étendre le domaine d'efficacité du système pour qu'il s'applique à un plus grand nombre dtimpuretés ou pour diminuer encore les contus et la complexité des opérations nécessaires pour réaliser un système de traitement efficace des eaux résiduaires. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivemnt Figure 1, une représentation schématique du procédé d'ad- sorption-oxydation conforme à la présente invention, utilisant un courant d'air contenant de l'ozone ou de l'oxygène comme oxydant ; Figure 2, une variante du procédé de la Figure I, dans laquelle on insère une source de lumière ultraviolette dans le système d'écoulement de l'eau pour réaliser une irradiation continue des lits de matériau adsorbant. Figure 3, un graphique montrant la diminution des teneurs en impuretés obtenue par adsorption-oxydation conformément à 1'in- vention, par rapport à l'adsorption utilisée seule ; et Figure 4, un graphique montrant la diminution des teneurs en impuretés obtenue par adsorption-oxydation conformément a l'invention, par rapport a l'adsorption et à l'oxydation réalisées séparément en série. Sur la Figure 1 on a représenté un plan d'écoulement simplifié pour le traitement d'eaux résiduaires d'origine municipale, hospitalière et industrielle. Selon le procédé, un courant principal d'eaux résiduaires clarifiées contenant des impuretés organiques dissoutes pénètre par la base et s'écoule vers le haut à travers un ou plusieurs lits de matériau adsorbant placés sur la trajectoire de ce premier courant et un ou des courants secondaires d'agent d'oxydation sont injectés ou introduits dans le courant d'eaux résiduaires en un ou des points situés un peu en des ,oq# du ou de chacun des lits de matériau adsorbant du système. Ce courant ou ces courants secondaires ont pour but à la fois d'attaquer les impuretés organiques et de régénérer les lits de matériau adsorbant Comme représenté Figure 1, le courant d'eaux résiduaires que l'on traite, pénètre,par une entrée 3, dans une colonne de traitement que l'on a représenté d'une manière générale en 1. Pour la facilité de fabrication et d'entretien, on peut construire la colonne en plusieurs sections que l'on peut réunir au moyen de brides 2, d'une manière classique.A l'intérieur de chacune de ces sections se trouve un lit de matériau adsorbant 5; qui est de pre- fe7-ence, maintenu entre un jeu de grilles, en acier inoxydable 6 fixées par une paire de joints toriques en un matériau inerte, comme le teflon, et retenus dans des rainures appropriées, aménagées dans la paroi de la colonne. En dessous de chaque lit de ma tériau adsorbant se trouve un tube d'entrée 7 que l'on utilise pour introduire un courant continu d'agent d'oxydation dans le courant d'eaux résiduaires. Cette invention a pour caractéristique importante la division du système en une série relativement courte de zones de traitement indépendantes ce qui présente un certain nombre d'avantages. Lorsque l'agent d'oxydation est l'ozone, on diminue considérablement les difficultés dues à la faible efficacité de l'ozone due à sa relative instabilité, puisque les temps de séjour dans le courant d'eaux résiduaires et dans le lit sont plus courts que dans les systèmes à point d'introduction unique de l'art antérieur. En d'autres termes, en prévoyant des lits relativement peu épais, il est beaucoup moins difficile d'oxyder le matériau adsorbé sur les surfaces, et donc de maintenir à la fois une vitesse élevée d'élimination/oxydation des impuretés et en conséquence de régénération des lits. L'introduction de l'agent d'oxydation en des points multiples sert aussi à diminuer les difficultés de création de cheminements dans le système de traitement et améliore de ce fait le contact global avec les impuretés dans le courant d'eaux ou sur les surfaces de matériau adsorbant. Pour le fonctionnement du système, l'utilisateur dispose d'un certain nombre d'options. Les lits de matériau adsorbant peuvent être composés de charbon actif, de silice alumine, de cendres volantes ou de n'importe quel autre matériau adsorbant similaire, relativement inerte. La taille des particules adsorbantes n'est pas critique, mais devrait de préférence être voisine de celle des granulés de carbone disponibles dans le commerce. Leci permettra d'éviter des pertes excessives de matériau adsorbant à travers les grilles qui le retiennent et l'établisseri,ent d'une résistance trop forte au courant d'eaux résiduaires tout en assurant une efficacité maximum pour la concentration des impuretés organiques dans le courant en vue de l'attaque par l'agent d'oxydation. Chacun des matériaux énumérés précédemment peut être particulièrement intéressant pour une application donnée, si l'on considère les couts comparatifs de la charge initiale, la durée attendue d'utilisation, et le degré d'adsorptivité par rapport aux taux et tusses d'impuretés que l'on rencontrera le plus fréquemment. On sait toutefois que dans des circonstances particulières, il peut être souhaitable ou nécessaire d'incorporer, dans le système, des lits utilisant plusieurs produits adsorbants. On peut même obtenir encore d'autres améliorations en ce qui concerne l'efficacité de fonctionnement en Incorporant dans un ou plusieurs des lits, des catalyseurs d'oxydation comme le nickel, le vanadium, le platine, etc. Le choix du catalyseur est largement déterminé par l'eau résiduaire à traiter. De la même façon, on peut choisir l'agent d'oxydation parmi un certain nombre d'oxydants convenables. On a déterminé que le procédé de base utiliserait de l'air "ozonisé" ou de l'oxygène. D'autres agents d'oxydation comme 1'eau oxygénée peuvent également être efficaces. Toutefois l'ozone est celui qui présente les plus grands avantages en ce qui concerne sa possibilité de formation in situ, son activité chimique globale, sa facilité de manipulation et d'introduction dans le système de traitement, et son absence de difficultés de traitement secondaire, et c'est par conséquent l'agent d'oxydation que l'on recommande. A l'usage, on a trouvé que la concentration en ozone dans le courant d'air entrant dans le système est importante car elle determine la vitesse d'oxydation nécessité par la destruction des impuretés organiques adsorbées sur le lit de carbone et la régé nération ultérieure du lit. On a aussi observé que la taille des bulles de gaz doit être aussi petite que possible pour rendre maximale la surface de contact air-liquide ; les diffuseurs de gaz classiques capables de libérer des courants sous formes de bulles très fines réalisent de bonnes conditions pour l'établissement d'un transfert efficace d'ozone à travers l'interface gaz/eau des impuretés concentrées sur les lits adsorbants. On a aussi observé que la technique d'irradiation de la zone de réaction par de la lumière ultra-violette conservait, et, de fait, augmentait les avantages notés pour les systèmes de traitement à l'ozone. La Figure 2 est une représentation schématique d'un système intégrant une telle technique d'irradiation dans le processus global de traitement, les mêmes numéros correspondant aux mêmes éléments que dans la Figure 1. Comme le montre la Figure 2, on ajoute des lampes à ultraviolets 10, à la colonne l de la figure 1, les lampes 10 étant placées de telle façon que chaque lit de matériau adsorbant soit irradié par les rayons ultra-violets. (On a trouvé, que des rayons ultra-violets de longueurs d'ondes d'environ 2 5002 étaient efficaces dans ce but). On peut obtenir des augmentations semblables de l'activité du système en activant les lits de matériau adsorbant avec des ultra-sons. La description ci-dessus est une description générale des paramètres de base d'un système de traitement des eaux résiduaires en fonctionnement. On sait qu'en pratique, le nombre de lits nécessaires pour obtenir une épuration donnée du courant à une vitesse d'écoulement donnée est fonction de la quantité et de la nature des impuretés présentes. Puisqu'on peut s'attendre a ce qu'elles varient largement, on ne peut pas définir les paramètres réels du système comme la vitesse d'écoulement des eaux, la vitesse d'introduction de l'ozone, le nombre de lits, le temps de contact gaz-liquide, le temps de contact avec le carbone, etc. excepté de façon très large et ils dépendront entièrement du pro blème de traitement des eaux résiduaires particulier rencontré. L'homme de l'art est capable de définir ces paramètres pour une application partic-wliere. On a trouvé que pour mettre en pratique le système de traitement des eaux résiduaires décrit, on pouvait utiliser dans tous les cas un équipement de traitement des eaux que l'on peut facilement trouver dans le commerce pour remplir les diverses fonctions décrites. On dispose, par exemple, pour la production de l'ozone d'un certain nombre de générateurs disponibles dans le commerce qui peuvent produire des courants d'air ozonisé ou d'oxy- gène ozonisé qui ont les concentrations nécessaires en ozone. On le choisira strictement en fonction de la quantité d'ozone requise.De même, il est seulement nécessaire que les pompes, les soupapes, les tuyauteries, les systèmes de réglage et autres appareillages neossires s-zent~un volume et des propriétés de résistance à la corrosion satisfaisants pour le service attendu, pour qu'ils satisfassent a cet usage. On a noté les résultats expérimentaux suivants pour illustrer l'accroissement de l'efficacité de l'élimination des impuretés organiques des courants d'eaux résiduaires par la mise en pratique de l'invention. Impureté : solution de TNT dans l'eau. Concentration : 44 mg/l - débit du liquide : 21 - 22 cm3/mn Concentration en ozone à l'entrée : 25,0 mg/l Concentration en ozone a la sortie X 20,0 mg/l débit du gaz X 300 cm3/mn Si on se- reporte maintenant à la Figure 3 on a diminué la teneur en TNT d'approximativement 85 % par adsorption-oxydation tandis que le procédé d'adsorption de l'invention utilisé seul entraînait une réduction d'approximativement 65 % dans des conditions expérimentales similaires. De plus, les résultats montrent que l'efficacité du procédé d'absorption sur du carbone diminue constamment pendant toute la durée de l'experimentation, tandis que le rendement du système d'adsorption-oxydation se stabilise. Le graphique de la figure 4, apporte une confirmation supplémentaire de l'intérêt du procédé d'adsorption oxydation de l'invention, en le comparant avec un procédé en série consistant en une ozonisation suivie d'une adsorption séparée sur du carbone. Puisque l'adsorption-oxydation donne de meilleurs résultats que le procédé en série, ces deux procédés utilisant des constituants identiques, on en conclue que la mise en oeuvre simultanée comme celle qui est réalisée dans le procédé d'adsorption-oxydation est capitale pour l'obtention de meilleurs rendements. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'élimination d'impuretés organiques dissoutes dans des courants d'eaux résiduaires caractérisé en ce qu'il comprend a) la concentration des impuretés organiques dissoutes par adsorption sur un matériau adsorbant ; et b) l'élimination simultanée des impuretés organiques dissoutes par traitement à l'aide d'un agent d'oxydation pour détruire ces impuretés. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il coaEprend encore l'étape d'irradiation simultanée du matériau adsorbant avec de la lumière ultra-violette pour augmenter l'action de l'agent d'oxydation sur les impuretés. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau adsorbant est choisi dans le groupe constitué par le charbon actif, la silice, l'alumine et les cendres volantes. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que agent d'oxydation est choisi dans le groupe constitué par l'ozone et l'eau oxygénée. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau adsorbant est placé dans plusieurs lits séparés, le courant d'eaux résiduaires traversant successivement ces lits. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'agent d'oxydation pénètre dans le courant d'eaux résiduai- res en plusieurs points distincts les uns des autres situés entre les lits de matériau adsorbant. 7 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau adsorbant renferme un catalyseur pour accélérer l'oxydation.