Brevet FR2460896A1 — publié le 19810130

La présente invention a trait au domaine du contrôle de fonction- nement des installations de clarification de liquides, notamment dans le cas o le processus de traitement comporte une étape de floculation. Elle concerne tout particulièrement un procédé et un dispositif de me- sure automatique de la qualité d'une eau épurée et de détermination des quantités optimales de réactifs floculants à mettre en oeuvre pour la coagulation d'une eau usée. On sait que, dans les opérations de clarification des liquides contenant en suspension des particules trop fines pour être filtrées ou décantées, il est en général nécessaire de prévoir une étape de flocula- tion au moyen d'un réactif approprié, comme par exemple du sulfate d'a- luminium ou du chlorure ferr&que dans le cas de l'eau. Toutefois, il est pratiquement impossible de prévoir la dose exacte de coagulant à ajouter et, si les caractéristiques physico-chimiques du liquide à trai- ter (par exemple une eau usée) changent au cours du temps, notamment dans le cas de déversements industriels ou d'une dilution consécutive à un orage, la dose choisie pour le réactif n'est plus appropriée et tout le traitement se trouve compromis. Pour pallier cet inconvénient, divers moyens ont été utilisés ou préconisés. Par exemple, on peut effectuer un contrôle du liquide traité par mesures chimiques ou physiques, telles que: demande chimi- que en oxygène, matières en suspension déterminées par pesée, etc; tou- tefois, une anomalie n'étant constatée qu'à posteriori, il faut en géné- ral un délai de 4 à 5 heures pour rétablir les conditions optimales de traitement, l'anomalie subsistant pendant ce long délai. Selon une autre technique, on effectue des séries d'essais au laboratoire sur le liqui- de avant traitement; pour assurer une fiabilité totale, ces essais doi- vent être poursuivis 24 heures sur 24 par un dispositif automatique et les difficultés techniques sont telles que ce procédé n'a pas donné sa- tisfaction. Enfin on peut envisager de reproduire en continu le traite- ment du liquide sur un petit débit en tentant d'anticiper le résultat par l'accélération des phénomènes; cependant on ne peut déceler qu'une anomalie dans le traitement sans savoir si cette anomalie provient d'un excès ou d'un défaut de coagulant; en outre un taux de réactif qui serait insuffisant ou excessif ne pourrait être décelé comme incorrect que s'il s'éloigne sensiblement du taux optimum. Plus récemment, on a proposé des procédés permettant de rendre automatique le dosage optimal de réactif floculant à ajouter à une eau -2 2460896 brute à traiter, en remplaçant ainsi les essais de laboratoires comus sous la nom de "Jar-Test". Selon un dispositif dénommé "Autofloc", on mesure la turbidité de l'eau, avec déclenchement de signaux de régulation de dosage de flo- culant, en se basant sur une relation de correspondance entrel'accroissement de turbidité dans la phase de formation des flocs et la turbidité résiduelle après décantation. Or, plusieurs auteurs ont montré expéri- mentalement qu'il existe undécalage non constant entre la dose de réac- tif qui donne le maximum de turbidité au liquide floculé et celle qui donne, après floculation-décantation, le liquide le plus clarifié; ce décalage entraîne en pratique un surdosage de réactif. Conformément à une autre technique, on a proposé de contrôler la floculation et d'ajuster automatiquement la quantité nécessaire de floculant en mesurant optiquement le volume des flocs par diffraction d'un faisceau lumineux produit par un laser. L'emploi d'un signal laser apporte un progrès par rapport au turbidimàtre tel que celui précité car le signal tient compte des différentes tailles des particules et se trouve peu sensible à la couleur de l'eau. Toutefois, l'étude des flocs ne constitue pas le paramètre le plus intéressant pour le contr8- le de la floculation et, par ailleurs, l'appareil optique ne pourrait correctement fonctiomner du fait de l'encrassement permanent des surfa- ces optiques par les particules floculées de pollution. L'invention a pour but de surmonter les difficultés énoncéres ci- dessus et vise à assurer un contrôle permanent du taux de réactif flo- culant ajouté et de corriger ce taux, mâme pour une variation très fai- ble autour du taux optimum. Elle propose à cet effet une méthode auto- matique de mesure continue liée non plus aux matières floculées elles- memes mais à la qualité de l'eau obtenue après floculation. Le paramè- tre de mesure est de ce fait constitué par les matières en suspension (MES) non floculées; ce paramètre est d'autant plus intéressant quele processus de coagulation-décantation agit beaucoup plus sur l'élimina- tion des MES que sur les matières dissoutes. On a pu déterminer expé- rimentalement que les particules restant dans le surnageant d'une eau floeulée avaient une taille généralement inférieure à 10 microns. Selon le procédé de l'invention de contrôle en continu de la ! floculation, on pr4lève en amont d'une station d'épuration de l'eau brute à traiter en la faisant plihser, simultanément à des quantités dosées de réactifs, dans un système de coagulation-décantation o la 3 2460896 décantation des flocs s'effectue en quelques minutes et l'on mesure en continu le volume de particules résiduelles en suspension dans l'eau séparée des flocs au moyen de la diffraction optique, par lesdites par- ticules, d'un faisceau lumineux à laser, la lumière diffractée étant convertie en un signal électrique en relation directe avec le volume des particules que l'on compare à des courbes d'étalonnage. Grâce à des séries d'essais systématiques on a, en effet, pu constater que: une simple agitation mécanique permettait d'éliminer, après décantation, la quasi totalité des particules supérieures.à 20 microns; l'ajout de réactifs chimiques améliorait les résultats et la pollution résiduelle du liquide surnageant, exprimée par diverses mesures (MES: matières en suspension; DTO: demande totale en oxy- gène; turbidité...), passait par un minimum lorsqu'on augmente ladôse de réactif. C'est pour les MES que cet optimum est le plus sensible, comme l'illustre la courbe (D) de la figure 1. Au voisinage de cet optimum, la pollution résiduelle est constituée par des particules de taille inférieure à 10 microns et par des molécules dissoutes. Ces essais ont permis de conclure que la mesure des matières en suspension, qui d'ailleurs est un critère officiel de qualité d'une eau usée après traitement, constituait le paramètre le plus significatif permettant d'optimiser un procédé de contrôle de la floculation d'une eau. Grâce à l'invention, on peut parvenir à une détermination précise et rapide, inférieure à 20 minutes, de ces matières en suspension (MES). Pour mettre en oeuvre le procédé susvisé, on utilise avantageu- sement l'installation schématisée sur le diagramme de principe de la figure 2. Sur le circuit I d'eau brute parvenant à la station d'épura- tion 2 et en aval du débit-mètre 3, on incorpore en dérivation au moins un système de coagulation-décantation constitué par la-combinaisond;'un tube en spirale 4 et d'un décanteur lamellaire 5. En pratique, on dis- pose en parallèle plusieurs de ces sytèmes, par exemple trois ou qua- tre, qui fonctionnent chacun avec une dose déterminée de réactif flocu- lant de façon à pouvoir élaborer à l'aide de divers points de mesure les courbes établissant la relation entre le signal du laser et la dose * de coagulant. Les flocs s'accumulant en 6 dans le décanteur lamellaire, le liquide surnageant 7 traverse le diffractomètre à laser 8 o les signaux électriques permettent de déterminer le volume des particules. et la quantité de réactif juste ilicessaire à la floculation. Pour l'expérimentation proprement dite on a tout d'abord entre- -4 2460896 pris l'étalonnage du diffractomètre à laser en travaillant sur plusieurs eaux urbaines floculées par du chlorure ferrique (Fe cl 3, 6 H20) eten déterminant par pesée les quantités de matières solides restant en sus- pension (MES) dans le liquide surnageant après floculation, ceci pour chaque signal exprimé en millivolts (mV) du diffractomètre. Comme l'indique la figure 3 on a obtenu ainsi toute une série de points qui ont permis de construire la courbe d'étalonnage (E) de pente correspondant à un rapport signal laser (mV)/concentration (mg(l) en MES sensiblement égal à 30. Comme on peut le voir sur la figure précitée, la dispersion des points de mesure autour de la courbe (E) est représentée par les droites extrêmes (E1) et (E2); le coefficient de corrélation est de l'ordre de 0,93 ce qui peut être considéré comme très correct dans ce domaine de mesures. Muni de cette courbe de comparaison, on a entrepris de nombreuses séries d'essais de floculation en continu à l'entrée d'une station d'épuration d'eaux brutes (en l'occurrence la station de COLOMBES, près de PARIS). La longueur d'onde de travail du pulvérimàtre à laser était de 0,632 microns. Par ailleurs, on a utilisé en parallèle quatre coagu- lomàtres tels qu'illustrés sur la figure 2, avec les caractéristiques suivantes - volume du tube hélicoidal: 500 ml (diamètre 8 mm) - volume du décanteur lamellaire: 500 ml - inclinaison du décanteur par rapport à l'horizontale: 55 degrés environ - temps de séjour variant de 7 à 15 minutes (en général voisin de 10 minutes). Pour chaque type d'eau les essais consistaient à introduire des doses croissantes de réactifs floculants afin de déterminer la relation entre la dose de coagulant et la qualité de l'eau traitée à l'instant considéré. A partir de cette relation il est aisé de fixer la dose qu'il convient d'appliquer en fonction de l'objectif recherché, c'est à dire soit un optimum technico-économique, soit une concentration de 30 mg/l en MES, laquelle correspond à la norme de rejet pour les eaux urbaines. A titre d'exemple illustratif on a reproduit sur la figure 4 les tracés ' des courbes obtenues sur une eau brute parvenant à la station de Colom- bes le même jour aux différentes périodes suivantes de la journée 11 heures: courbe (A) heures: courbe (B) 19 heures: courbe (C) On peut constater-ainsi la très grande variation de dose de réactif floculant (ici chlorure ferrique) à ajouter à une eau sur une période relativement courte. Pour un signal au diffractomètre laser de 500 mV cette dose passait de 37 mg/l de Fecl3, 6H20 à Il heures; à 42 mg/l vers 15 heures et à 66 mg/l à 19 heures. En travaillant en parallèle sur une installation industrielle de traitement d'eaux usées urbaines, on a trouvé une excellente concor- dance entre les résultats obtenus à partir de ladite installation et ceux qui ont permis le tracé des courbes susvisées. Bien entendu, des centaines d'autres essais systématiques en continu ont été effectués et ont permis de constater que, le temps moyen d'établissement d'une courbe type A, B ou C par quatre points étant d'environ 12 à 15 minutes, il était possible d'ajuster en un temps très court la dose de réactif floculant exactement nécessairesur un débit continu d'eau brute à traiter. Ainsi le procédé de l'invention permet d'éviter tout gaspillage de réactif et de se placer en permanen- ce dans une zone hors des domaines de sous-dosages ou surdosages en floculants. Ceci tant-pour des eaux usé-es, d'égouts ou industrielles, que pour des eaux à potabiliser, telles que eaux de surface ou autres. 6 2460896 REVENDICATIONS':. 1,. Procédé de détermination automatique de la qualité d'une eau par mesure de son aptitude à la floculatiox en vue de fixer les quan- tités juste nécessaires d'un réactif floculant à mettre en oeuvre pour obtenir la coagulation d'une eau brute, le procédé étant caractérisé en ce que l'on prélève, en amont d'une station d'épuration, de l'eau brute à traiter en la faisant passer, simultanément à des quantités dosées de réactifs, dans un système de coagulation-décantation ou la. décantation des flocs s'effectue en quelques minutes, et l'on mesure L0. en continu le volume de particules résiduelles en suspension dans leau séparée des flocs et de taille moyenne inférieure à 10 microns, à l'aide de la diffraction optique, par lesdites particules, d'un faisceau lumineux à laser, la lumière diffractée étant convertie en un signal électrique en relation directe avec le volume des particules que l'on compare à des courbes d'étalonnage. 2. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend, installé en dérivation sur le circuit d'alimentation en eau brute d'une station d'épuration: a) un système de coagulation-décantation constitué par au moins un ensem- ble d'un tube hélicoïdal alimenté en eau brute et en réactif floculant et d'un décanteur lamellaire; et b) un diffractomètre à laser, des moyens étant prévus pour prélever en continu le liquide décanté puis le faire passer dans le diffractomètre ainsi que pour enregistrer les signaux électriques obtenus, la dose exacte de réactif floculant ainsi déterminée à un instant donnée étant alors introduite dans le circuit d'alimentation. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système de coagulation-décantation comprend au moins trois desdits ensembles disposés en parallèle, fonctionnant chacun avec une dose dé- terminée de réactif floculant de façon à pouvoir construire par un nombre suffisant de points de mesureles courbes établissant la rela- tion entre le signal du laser et la dose de coagulant à introduire exactement. 4. Application du procédé et du dispositif selon l'une quelcon- que des revendications I à 3 au contr8le continu de la coagulation-- floculation d'eaux usées, d'égouts ou industrielles,-ou encore d'eaux de surface à potabiliser.