Brevet FR2497685A1 — publié le 19820716

1. La présente invention concerne un procédé de traitement d'un liquide par passage à travers un lit de particules solides, en vue notamment de sa purification. La présente invention concerne plus particuliè- rement un procédé de traitement d'un liquide contenant, à l'état dispersé, des particules insolubles par passage à travers un lit de particules solides en vue de séparer les particules insolubles dispersées dans le liquide. Elle concerne encore plus spécifiquement un procédé pour épurer des eaux huileuses et notamment des eaux contenant des particules huileuses en suspension. On connaît de nombreux procédés pour épurer les eaux industrielles telles que des eaux huileuses avant leur recyclage ou leur rejet en milieu naturel. Parmi ces procédés, la filtration par passage à travers un lit de particules solides telles que du sable est largement utilisée en vue d'éliminer des particules insolubles dispersées dans un liquide. Cette technique présente toutefois des limites à son utilisation en raison notamment de la nécessité d'opérations de lavage (ou régénération) trop fréquentes lorsque le liquide est fortement chargé en particules insolubles ou de l'impossibilité de retenir des parti- cules de très petite taille. Pour améliorer la retenue des particules de très petite taille, on a proposé d'ajouter en continu dans le liquide à traiter en amont du lit de particules solides un agent floculant (généralement de type polyélectrolyte cationique) ou un réactif coagulant (sels de fer ou d'aluminium) qui agglomère les particules fines et permet leur rétention sur le lit de particules solides. En variante, on a également proposé de fixer, avant la filtration, sur les particules solides du lit de filtration une substance conférant aux particules une charge positive. A cet effet, on a proposé en particulier des sels d'aluminium (brevet US 2 036 258), des 2. polyélectrolytes cationiques (C. Oulman, D. Burns et R. Baumann, Jour. AIAIA, 56, 12331238) ou des sels de fer (G. Foess et J. Borchardt, Jour. A.WW.A, 61, 333-338). La présente invention vise à améliorer ces dif- férentes techniques en permettant à la fois d'augmenter la vitesse de filtration et la durée des cycles de fil- tration. La présente invention vise également à améliorer ces différentes techniques en permettant d'obtenir des liquides plus purs, grâce à l'élimination non seulement des particules insolubles très fines, mais également de certaines impuretés dissoutes. La présente invention vise enfin à élargir les types de traitement qui peuvent être effectués en per- mettant notamment d'effectuer des traitements physiques, physico-himiques ou chimiques. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de traitement d'un liquide par passage à tra- vers un lit de particules solides, caractérisé en ce que l'on mélange en milieu liquide un produit floconneux avec les particules solides, préalablement revêtues d'un agent floculant, l'agent floculant étant choisi de façon à floculer le produit floconneux sur les particules solides, puis l'on fait passer le liquide à traiter à travers le lit de particules. Par produit floconneux, on désigne tout produit présentant une structure floconneuse en présence du li- quide à traiter. Il peut s'agir notamment d'une suspen- sion de particules présentant une structure floconneuse en présence du liquide à traiter. Comme exemples de tels produits, on peut citer les suspensions d'hydroxydes métalliques insolubles tels que les hydroxydes de fer ou d'aluminium. Le produit floconneux peut être introduit dans le lit de particules sous forme d'une suspension dans un liquide, par exemple une suspensionL d'un hydroxyde de fer ou d'aluminium, ou en variante le produit floconneux peut 3. être formé in situ dans le lit de particules. Le produit floconneux est avantageusement uti- lisé à raison d'environ 0,2 à 2 kg/m3 de particules solides. L'agent floculant préalablement fixé sur les particules solides est choisi de façon à permettre la floculation du produit floconneux sur les particules solides du lit de filtration, On utilise généralement un polyélectrolyte ayant la polarité appropriée. Dans le cas o le produit floconneux est une suspension d'un hydro- xyde métallique, le polyélectrolyte est un polyélectro- lyte anionique. L'agent floculant peut etre fixé sur les parti- cules solides en introduisant une solution de l'agent floculant dans le lit de particules solides. L'agent flo- culant peut être utilisé à raison d'environ 30 à 300 g/m3 de particules solides. Les particules solides constituant le lit de filtration peuvent être constituées de tous les matériaux classiquement utilisés pour la filtration et notamment du sable, mais ég a lement de l'an thraci te, du corindon, du grenat et plus généralement tous les ma- tériaux granulaires de stabilité physique, mécanique et chimique suffisante. Le mélange du produit floconneux avec les parti- cules solides préalablement revêtues de l'agent floculant peut être réalisé notamment par injection de gaz à 1 a b a s e d u lit de particules. Le produit floconneux en excès et le gaz occlus peuvent être éliminés par en- voi d'un liquide à la base du lit de particules. La présente invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, caractérisée en ce qu'elle com- prend une cuve comportant au moins un lit de particules solides reposant sur un support perforé, des moyens pour introduire le produit floconneux juste au-dessus du support perforé,des moyens pour effectuer un balayage 4. ascendant de la cuve par un liquide, des moyens pour me- langer le produit floconneux avec les particules solides et des moyens pour faire passer le liquide à traiter de haut en bas à travers le lit de particules solides. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide du dessin annexé représentant un mode de mise en oeuvre. Sur le dessin annexé, la figure unique repré- sente une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. Cette installation comprend une cuve 1 ayant une hauteur d'environ 2 mètres munie à sa partie inférieure d'un support perforé 2 constitué par exemple par des buse- lures ou encore par une couche de gravier. Sur le support 2 repose un lit 3 de particules solides ayant une hauteur d'environ 1 mètre. L'installation comprend en outre un bac 4 de préparation d'une solution de floculant de type polyélec- trolyte. Ce bac est muni d'un agitateur 5. Le floculant pulvérulent est ajouté par un disperseur 6 alimenté en liquide par un conduit 7. Du bac 4 la solution de flocu- lant est envoyée par un conduit 8 dans un bac de stockage 9, et de là par un conduit 10 muni d'une pompe ll à un tube injecteur 12 disposé dans la cuve 1 à environ 20 cm au-dessus du support 2 de la cuve 1. L'installation comprend également un bac 13 de préparation d'une suspension de produit floconneux (tel qu'un hydroxyde de fer ou d'aluminium). Ce bac est muni d'un agitateur 14. Du bac 13,la suspension de produit floconneux est envoyée par un conduit 15 à un bac de stockage 16 muni d'un agitateur 17 et de là, par un conduit 18 muni d'une pompe 19, à un tube injecteur 20 disposé dans la cuve I à environ 10 cm au-dessus du support 2. Le liquide à traiter est introduit à la partie supérieure de la cuve 1 par un conduit 21 muni d'une pompe 22. Le liquide traité est évacué à la partie infé- rieure de la cuve 1 par un conduit 23. De l'air peut être 5. introduit à la partie inférieure de la cuve 1 par un conduit 24 e t par l'intermédiaire d'un surpresseur d'air 25. En- fin, un liquide de lavage peut être introduit à la partie inférieure de la cuve par un conduit 26 et est évacué à la partie supérieure de la cuve par un conduit 27. On donnera ci-après un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention à l'aide de l'installation représentée sur la figure unique, dans le cas du traite- ment d'une eau industrielle contenant des particules d'huile en suspension telle qu'une eau rejetée par une usine sidérurgique. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'inven- tion, on utilise une cuve comprenant un lit d'un mètre cube (et de 1 m de hauteur) de particules solides consti- tué par des particules de sable ayant une taille moyenne de particules de 1,35 mm. A l'aide de l'installation, on effectue les opé- rations suivantes: a) On injecte par le tube injecteur 12 en 10 mn 1 m3 d'une solution aqueuse d'un polyélectrolyte anio- nique (constituée par exemple par une solution à 0,1 g/l d'un copolymère acrylamide/acrylate). Simultanément, on injecte à la base de la cuve 1 par le conduit 26 de l'eau à une vitesse apparente de déplacement dans le lit de particules de 2 m/h, de façon à diluer la solution de polyélectrolyte, à contri- buer à son mouvement ascendant et à entratner l'excès de polyélectrolyte. b) On injecte par le tube injecteur 20 en 10 mn un volume de 0,25 m3 d'une suspension contenant 2,6 g/l d'hydroxyde ferrique. Simultanément, on injecte à la base de la cuve 1 par le conduit 26 de l'eau à une vitesse apparente de déplacement dans le lit de particules de 10 m/h, de façon à diluer la suspension et à contribuer à son mouve- ment ascendant. c) On injecte par le conduit 24 de l'air sous une pression de 1,5 bar pendant 30 secondes afin d'homogénéi- ser le lit de particules et de permettre une fixation 6. régulière des flocons d'hydroxyde sur les particules de sable revêtues du polyélectrolyte anionique. d) On injecte par le conduit 26 de l'eau pen- dant 10 secondes pour maintenir le lit de particules solides en expansion, à un volume correspondant à 120 R de son volume initial, afin d'éliminer les flocons d'hy- droxyde se trouvant à la surface du lit, ainsi que les bulles d'air occluses résultant de l'opération d'homo- généisation précédente. e) On amène l'eau à traiter par le conduit 21 et on la fait passer à travers le lit de particules so- lides ainsi conditionnées, selon un mouvement de haut en bas et on évacue l'eau traitée par le conduit 23. La vitesse de passage de l'eau peut atteindre 40 m3/h. Cette opération de traitement peut durer plusieurs dizaines d'heures. Lorsqu'on doit régénérer le lit de filtration c'est-à-dire soit que la qualité de l'eau traitée se soit dégradée, soit que la perte de charge soit devenue trop grande, on introduit, selon une séquence appropriée, de l'eau de lavage par le conduit 26 et de l'air par le conduit 24 pendant 10 mn et on évacue par le conduit 27 les eaux de lavage concentrées en huiles et matiàres solides. Les eaux de lavage ainsi récupérées correspon- dent à un volume de l'ordre de 100 fois plus faible que le volume d'eau traitée. A titre d'exemple, on traite l'eau d'un train de laminoir à chaud en vue de permettre son recyclage. Cette eau contient 21 mg/l d'huiles et 250 mg/l de ma- tières totales en suspension. Ce traitement est, d'une part, effectué avec un lit de sable non prétraité et, d'autre part, avec un lit de sable prétraité selon l'invention. Les volumes de sable et les caractéristiques de ce sable sont les mêmes. On détermine dans chaque cas: - la durée de la phase de filtration, avant que la concentration en huile de l'eau traitée ne dépasse e497685 7. 2 mg/1 ou que la perte de charge n'excède 0,4 bar; - la concentration en huile de l'eau traitée; - la vitesse de filtration techniquement réa- lisable pour qu'un rendement de séparation notable ou une durée de cycle convenable puissent être atteints. Cette vitesse, exprimée en mètres/heure est numériquement égale au débit d'eau qu'il est possible de traiter par unité de surface de filtre (exprimé en m3 d'eau filtre et par heure). Les résultats obtenus sont admise par m2 de les suivants. Il apparatt au vu de ces résultats que les per- formances sont nettement meilleures en utilisant le procédé selon l'invention. Par ailleurs, au cours d'essais de filtration comparatifs consistant à réaliser des cycles successifs, il est apparu un colmatage irréversible du lit de sable classique, se traduisant par une élévation de perte de charge à travers le lit au cours des cycles successifs, Paramètres de Lit de sable fonctionnement et l e sable préconditionné performances c selon l'invention itesse de filtration 10 mètres/heure 40 mètres/heure Débit d'alimentation 10 m3/m2 de 40 m3/m2 de lit/heure de lit/heure ,,.......... Durée de cycle 10 heures 20 heures Volume d'eau 100 m3 800 m3 traitée par cycle Concentration moyenne en matières en suspen- sion de l'eau traitée, 5,4 mg/il 0,6 mg/l sur un cycle de fil- tration Concentration moyenne en huiles totales de l'eau traitée, sur un 5,6 mg/ 0,7 mg/l cycle de filtration 8. tandis que le mmne inconvénient n'a pas été constaté avec le lit de sable préconditionné, même apres dix cycles suc- cessifs. Ces résultats sont en accord avec des observations visuelles effectuées sur le sable, celui-ci étant de cou- leur noire et d'aspect goudronneux dans le premier cas et à peine coloré dans le second cas. Dans cette application à la filtration des eaux industrielles, les avantages du procédé selon l'invention sont les suivants: - une vitesse de filtration plus élevée que dans un filtre à sable ordinaire ou dans une installation de coagulation sur filtre. A titre indicatif, les ordres de grandeur sont les suivants: - vitesse sur filtre a sable avec flocu- lation ou coagulation sur filtre: 3 à 4 mètres/heure (soit un débit de 3 à 4 m3/m2 de filtre/heure), - vitesse de filtration sur filtre à sa- ble courant: 10 à 20 mètres/hneure (soit un débit de 10 à m3/m2/heure), - vitesse de filtration sur filtre à sa- ble préconditionné: 40 à 50 m1tres/heure (soit un débit de 40 à 50 m3/m2/heure). La vitesse de filtration élevée permet un dimensionnement moindre des installations devant trai- ter un même débit d'eau, donc un coût d'investissement moindre. - une consommation de réactifs très faible, inférieure à celles qui sont utilisées en floculation ou coagulation sur filtre du fait que l'apport de réactif ne se fait pas en continu, mais en une seule fois en début de cycle. Il en résulte un moindre co t de fonctionnement; - une durée des cycles de filtration plus éle- vée qu'avec les filtres habituels d'ou une moindre consom- mation d'eau et d'air de lavage et une moindre immobilisa- tion de l'installation entre les phases de filtration proprement dites; des performances, en mati're de qualité d'eau traitée, accrues par rapport aux filtres à sable normaux; 9. - une possibilité de résoudre des problèmes de séparation difficiles qui ne peuvent etre résolus correc- tement par les techniques habituelles (coagulation, flocu- lation, décantation, filtration sur sable, coagulation ou floculation sur filtre) comme c'est le cas pour l'exemple présenté (eaux de laminoirs à chaud). Un cas d'application particulièrement intéressant est celui de suspensionsdif- ficiles à floculer; - une adaptation simple et peu co teuse du pro- cédé au cas d'installations de filtration sur sable conven- tionnelles; - la validité du procédé pour séparer des subs- tances insolubles, que celles-ci soient des particules solides ou liquides (huiles). L'application essentielle de l'invention est la séparation de particules insolubles initialement disper- sées dans un liquide. Les particules insolubles peuvent être soit liquides (par exemple huiles), soit solides. La phase liquide peut être soit aqueuse, soit non aqueuse. Il faut remarquer que le procédé peut etre uti- lisé pour satisfaire à d'autres besoins, dans la mesure o la phase solide floconneuse additionnelle introduite dans la masse du lit filtrant lors de l'opération de pré- conditionnement est susceptible de réactivité physique, physico-chimique ou chimique vis-à-vis de certains consti- tuants de la phase liquide. C'est ainsi que, par exemple, dans le cas du traitement des eaux huileuses, il est pos- sible qu'une fraction des huiles dissoutes se trouve ad- sorbée par le précipité d'hydroxyde de fer utilisé. Le procédé peut donc être appliqué pour effectuer une réaction entre une phase liquide et une phase solide ayant une structure floconneuse introduite ou créée in situ dans le lit filtrant constitué par un empilement de particules solides. Parmi les applications de ce type, on peut citer la fixation d'ions contenus dans une phase liquide aqueuse (phénom?ène d'adsorption, échange d'ions), et la fixation de molécules organiques dissoutes dans le phase liquide. Un domaine d'application privilégié de cette technique 10. est l'épuration d'eaux contenant des micropolluants (pol- luants présents à faible concentration mais néanmoins trs dangereux du fait de leur toxicité et de leur tendance à se concentrer dans les chatnes trophiques et alimentaires) tels que les métaux lourds et les pesticides (grace aux propriétés adsorbantes ou fixatrices des précipités d'hy- droxydes métalliques). Compte tenu de ce qui précède, les domaines d'ap- plication sont extrêmement vastes. A titre d'exemple, on peut citer: l'épuration des eaux polluées en vue de leur reJet au milieu naturel ou leur réutilisation, - le traitement des eaux de surface en vue de la préparation d'eaux d'alimentation domestique ou indus- trielle, - le traitement de phases liquides au niveau même des procédés de fabrication industriels (industries chimiques, alimentaires, etc.), en vue de purifier la phase liquide ou de récupérer la phase insoluble dispersée. 11. REVENDIICATI 0eUS 1. Procédé de traitement d'un liquide par pas- sage à travers un lit de particules solides, caractérisé en ce que l'on mélange en milieu liquide un produit flo- conneux avec les particules solides, préalablement revg- tues d'un agent floculant, l'agent floculant étant choisi de façon à floculer le produit floconneux sur les parti- cules solides, puis l'on fait passer le liquide à traiter à travers le lit de particules. 2. Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que le produit floconneux est un hydroxyde mé- tallique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que l'hydroxyde métallique est un hydroxyde de fer ou d'aluminium. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le produit floconneux est introduit dans le lit de particules sous forme d'une suspension dans un liquide. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le produit floconneux est formé in situ dans le lit de particules. 6. Procédé selon la revendication 2 ou la reven- dication 3, caractérisé en ce que l'agent floculant est un polyélectrolyte anionique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractéri- sé en ce que les particules solides sont rev9tues du poly- électrolyte anionique par passage d'une solution du poly- électrolyte anionique à travers le lit de particules so- lides. 8. Procédé selon lesrevendications 1 à 7, ca- ractérisé en ce que le mélange du produit floconneux avec les particules solides est réalisé par injection de gaz à la base du lit de particules. 9. Procédé selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que l'on élimine le produit floconneux en excès et le gaz occlus par envoi d'un liquide à la base du lit de particules. 12. 10. Installation pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une cuve (1) comportant au moins un lit (3) de particules solides repo- sant sur un support perforé (2), des moyens pour introduire le produit floconneux juste au-dessus du support (2), des moyens pour effectuer un balayage ascendant de la cuve par un liquide, des moyens pour mélanger le produit floconneux avec les particules solides et des moyens pour faire passer le liquide à traiter de haut en bas à travers le lit (3) de particules solides. 11. Installation selon la revendication 10, ca- ractérisée en ce qu'elle comprerd en outre des moyens pour introduire une solution d'agent floculant Juste au-dessus du support (2).