Brevet FR2502976A1 — publié le 19821008

La présente invention est relative à un procédé pour régénérer des adsorbants, en particulier ceux qu'on appelle les "coagulants/adsorbants" utilisés dans le procédé de clarification de l'eau décrit dans le brevet australien de la Demanderesse n0 512 553 et dans la demande de brevet australien de la Demanderesse n0 40 032/78. Le brevet précité décrit de quelle manière on peut éliminer de l'eau des impuretés en suspension et des substances colorées par contact avec un "coagulant/adsorbant", qui est une matière minérale en particules finement divi see dont les particules individuelles possèdent une mince couche superficielle hydroxylée ayant un potentiel dzéta positif au pH d'adsorption, ctest- -dire au pH de l'eau en cours de traitement. La Demande de brevet précitée montre que la mise en oeuvre de ce procédé est améliorée par addition d'un polyélectrolyte pendant le traitement. Le coagulant/adsorbant qui est devenu chargé d'impuretés et de substances colorées pendant le traitement de l'eau est régénéré par un simple traitement avec une solution aqueuse d'alcali. Ceci élimine de la surface du coagulant/adsorbant les impuretés et les substances colorées, qui passent dans la solution d'alcali et peuvent ainsi être séparées du coagulant/adsorbant. Après lavage, le coagulant adsorbant peut être recyclé pour être utilisé dans le procédé de traitement de l'eau. Du fait que le coagulant/adsorbant doit se présenter sous la forme de très fines particules (inférieures à 10 microns), les matières minérales préférées pour le coagulant/adsorbant sont des matières magnétiques ou magnétisables, en particulier la magnétite, du fait de la relative facilité avec laquelle de telles matières peuvent être manipulées, par exemple par des moyens magnétiques, par comparaison avec des particules non magnétiques de dimension similaire La viabilité commerciale du procédé de clarification de l'eau décrit dans le brevet précité dépend largement de la réussite de la régénération et de la réutilisation de la magnétite utilisée en tant que coa#ulant/adsorbant préféré. Le brevet précité décrit un procédé comportant une régéné- ration à l'alcali en trois phases, a contre-courant, qui utilise des séparateurs magnétiques et qui a été mis en oeuvre avec succès dans des traitements expérimentaux. Cependant, le développement ultérieur du procédé dans des installations commerciales a montré plusieurs inconvénients du procédé existant de récupération. Tout d'abord, il est relativement motteux pour des applications petite échelle; le train de régénération peut représenter environ la moitié de l'investissement total de l'installation. De ce fait, le procédé de clarification existant n'est pas économique pour les installations ayant une capacité inférieure a 10 M1 par jour. En outre, le procédé produit un effluent liquide dont le volume n'est pas inférieur à 5% de la capacité totale de l'installation, ce qui est à comparer avec le volume d'effluent représentant 1/2% à 1% de la capacité de l'ins- tallation pour un procédé de floculation classique à l'alun. Cette différence peut avoir pour résultat des colts supplémentaires pour se débarrasser de l'effluent dans le procéda du brevet précité. Le principal but de l'invention est de fournir un procédé amélioré de récupération et de régénération pour les coagulants/adsorbants précités, en particulier pour la magnétite, qui élimine les problèmes que l'on vient d'indiquer. Pendant les recherches de la Demanderesse concernant des procédés différents de régénération de la magnétite, la Demanderesse a tenté de remplacer les séparateurs magné- tiques utilisés dans le procédé du brevet précité par de simples cuves de décantation, mais ceci a conduit à des résultats non satisfaisants. Pour les rapports eau-magnétite que la Demanderesse a utilisés avec des séparateurs magnétiques dans des étapes de régénération du procédé du bre vet(188 à 25% en poids de magnétite), la Demanderesse a constaté que, bien qu'un dépôt se produise, une grande partie de la turbidité et de la couleur éliminées de la surface de la magnétite à la suite du traitement à l'alcali restait emprisonnée dans le lit de matières solides décantées au lieu d'apparaitre dans le liquide surnageant.Ceci réduisait le rendement global des étapes de régénération et de lavage et, par conséquent, la capacité de la magnétite régénérée à effectuer la clarification de l'eau lorsqu'elle était recyclée conformément au procédé du brevet. La Demanderesse a attribué ce comportement au phénomène qu'elle a appelé "dépôt entravé", dans lequel les couches limites entourant les particules adjacentes réagissent et modifient les gradients de vélocité au voisinage des particules. Ainsi, les particules adjacentes modifient induirez tement les forces d'interaction, et la vitesse de dépôt est considérablement réduite par rapport à celle d'une particule unique. La vitesse de dépôt d'une particule ne dépend plus de la dimension de la particule, mais seulement de la concentration des autres particules. dans son voisinnage immédiat. Du fait de la concentration relativement élevée en matières solides dans la boue et du gradient élevé de vitesse dans la couche limite entourant chaque particule, les particules colloldales se trouvant dans le liquide interstitiel ont une probabilité bien plus élevée de heurter la surface d'une particule. Par conséquent, les particules les plus petites de matières collordales deviennent emprisonnées dans les interstices entre les particules de magnétite plus grandes et sont entraînées vers le bas avec elles, ce qui a pour résultat que toutes les matières solides se déposent sous la forme d'une nappe, avec un interface net entre la boue et la phase liquide claire. Ceci est la raison principale pour laquelle les cuves de décantation ne sont apparemment pas appropriées dans le présent procédé de régénération. La Demanderesse a maintenant découvert que les problèmes ci-dessus peuvent être résolus en réduisant la concentration de la boue à un niveau ot les particules individuelles n'agissent pas les unes sur les autres et où un dépôt discret non-entravé peut se produire. Pour le système magnétite-eau, la Demanderesse a constaté que ceci se produit au-dessous d'une concentration de la boue d'environ 10% en poids de magnétite, et que, en travaillant à des concentrations de boue ayant ce niveau, il est possible d'utiliser des cuves de décantation à la place des séparateurs magnétiques du procédé du brevet précité de la Demanderesse. Cependant, le fait d'utiliser des cuves de décantation et une telle boue diluée tout en conservant le schéma d'écoulement décrit dans le brevet précité nécessiterait une augmentation très importante de la consommation en eau de lavage et, par conséquent, le volume d'eau d'effluent à éliminer. La Demanderesse a constaté que, en modifiant de façon appropriée la conception des étapes de régénération et de lavage du schéma d'écoulement, on peut non seulement éviter l'augmentation de la consommation en eau de lavage, mais réduire véritablement cette consommation, ainsi que la quantité d'effluent à éliminer, jusqu'à des niveaux cdmpa- rables à ceux que l'on peut obtenir dans un procédé de floculation classique à l'alun. Ce nouveau schéma d'écoulement constitue la base de la présente invention. Suivant un aspect, 11 invention a pour objet un procédé de régénération et de récupération d'un adsorbant chargé (tel que défini ci-après), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) on metlfadsorbant chargé en contact avec une solution alcaline pendant une durée suffisante pour effectuer la régénération de l'adsorbant; (b) on dilue la boue résultante de l'adsorbant dans la solution alcaline avec un écoulement de liquide surnageant recyclé provenant de l'une des deux étapes suivantes de séparation ou de ces deux étapes, afin de réduire la concentration d'adsorbant dans la boue au moins au niveau où le dépôt nonentravé peut se produire; (c) on sèpare la boue pour Wtenir un prer: :#r écoul##nent de liquide surnageant et un premier écoulement de fond de matières solides contenant l'adsorbant, et on renvoie une partie du premier écoulement de liquide surnageant à l'étape (b), le reste étant mis au rebut; (d) on transforme en une boue le premier écoulement de fond de matières solides de l'étape (c) au moyen d'eau de lavage et d'un second écoulement de liquide surnageant recyclé provenant de l'étape de séparation suivante; (e) on sépare la boue ainsi formée pour obtenir un second écoulement de liquide surnageant et un second écoulement de fond de matières solides , et on renvoie une partie de ce second écoulement de liquide surnageant à l'étape (d) et le reste à l'étape (b); et (f) on récupère le second écoulement de fond de matières solides contenant l'adsorbant régénéré et lavé. De préférence, les séparations effectuées aux étapes (c) et (e) sont effectuées dans des cuves de décantation, mais les avantages du procédé peuvent être obtenus avec d'autres appareils de séparation, par exemple avec des séparateurs magnétiques. Le terme "adsorbant" est utilisé dans le présent mémoire pour des raisons de commodité pour se référer à de la magnétite en particules finement divisée ou à n'importe quel autre adsorbant approprié utilisé comme coagulant/ adsorbant dans le procédé du brevet ou de la demande de brevet précités. Le terme "chargé" suppose que le coagulant/adsorbant a été utilisé dans le procédé de clarification de boue. 11 sera évident pour les spécialistes de la technique que le procédé de régénération et de récupération suivant l'invention peut avoir également d'autres applications, à savoir les applications associées à la clarification de l'eau par des procédés autres que ceux décrits dans le brevet et dans la demande de brevet précités. La durée préférée pour l'étapede régenération (a) est d'environ 10 minutes. Comme on l'a déjà indiqué, l'adsorbant préféré est la magnétite, pour laquelle, dans l'étape (b) du procédé, la concentration après dilution doit être inférieure à environ 10% en poids. L'invention a également pour objet un procédé de clarification de l'eau qui comprend le procédé de régénération et de récupération défini ci-dessus mais qui est par ailleurs conforme aux enseignements du brevet ou de la demande de brevet précités. Le procédé de l'invention va maintenant être décrit plus en détail dans la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé, dont la figure unique représente un schéma d'écoulement d'un procédé de clarification de l'eau comportant le procédé de régénération suivant l'invention. Comme représenté sur le schéma d'écoulement, de l'eau brute etre un tuyau, comme décrit dans le brevet australien précité n0 512 553, ou tout autre appareil approprié. Si on le désire, le polyélectrolyte (B) peut être ajouté au mélange (conformément à la demande de brevet australien précitée n0 40 032/78) lorsque celui-ci quitte l'organe 2 de mise en contact, au point 3. Le mélange passe alors dans un appareil 4 de clarification de matières solides qui peut être de n'importe quel type approprié, par exemple ceux décrits dans le brevet précité. L'eau clarifiée (C) constituant l'écoulement surnageant est extraite de l'appareil 4 de clarification. L'écoulement de fond (D) de matières solides provenant de l'appareil 4 de clarification est constitué d'un coagulant/adsorbant chargé, c'est-à-dire associé aux impuretés colloldales et autres qui ont été éliminées de l'eau. Cet écoulement de fond passe à tape de mélange de régénération 5, où il est mélangé avec de la soude caustique diluée pour élever le pH à un niveau suffisant pour libérer le coagulant/adsorbant des impuretés (par exemple à un pH d'environ 10 à 11), et de là, à un autre mélangeur 6, où il est mélangé avec du liquide surnageant provenant de l'une des deux étapes de séparation suivantes ou de ces deux étapes (lignes E2 et G2), pour réduire la teneur en matières solides à un niveau approprié, inférieur à 10% en poids dans le cas de la magnétite. Le mélange est ensuite envoyé à une première cuve de décantation 7.L'écoulement surnageant (E) provenant de cette cuve 7 est divisé en deux écoulements(El et E2), dont le premier est envoyé au rebut et le second au mélangeur 6. Le courant de fond (F) contenant le coagulant/adsorbant passe à un second mélangeur 8, où il est mélangé avecde l'eaude lavage (I) et avec un écoulement de liquide surnageant provenant de l'étape de séparation suivante (ligne G1). Le mélange passe du mélangeur 8 à la seconde cuve de décantation 9. L'écoulement de liquide surnageant (G) provenant de la cuve 9 est divisé en deux écoulements (G1) et (G2). L'é- coulement (G1) est envoyé au second mélangeur 8, et l'écoulement (G2) au premier mélangeur 6. L'écoulement de fond (H) contenant la magnétite lavée et régénérée est recyclé pour être mélangé en l avec l'eau brute. Il est évident que les conditions du procédé peuvent être réglées en faisant varier le rapport entre les écoulements (G1) et (G2) et (El) et (E2). Ces ajustements?eu- vent aller jusqu'à l'élimination complète de certains des écoulements (G1), (G2) ou (E2). On notera que, dans le présent schéma d'écoulement, la magnétite chargée provenant de l'appareil 4 de clarification est régénérée au cours d'un traitement en une seule étape avec de l'alcali (soude caustique). Ceci diffère du schéma d'écoulement du procédé suivant le brevet précité, qui utilise une régénération à l'alcali en trois étapes. Comme dans'le procédé antérieur, il y a deux étapes de lavage après la régénération, mais celles-ci ont été modifiées en ce qui concerne l'utilisation de boucles de recyclage d'eau de lavage. Grâce à cette modification du recyclage de l'eau de lavage, la concentration en matièreS solides dans les étapes de séparation solide/liquide peut être réduite au point où un dépôt discret non-entravé de la phase solide peut se produire sans qu'il en résulte une augmentation de la demande totale en eau de lavage. En fait, il s'est révélé possible de réduire la consommation en eau de lavage à des niveaux étonnamment bas (environ lt de la capacité de l'installation) avec ce nouveau schéma d'écoulement. Le procédé de l'invention apporte des avantages importants par rapport au procédé antérieur, à savoir: l. Les séparateurs magnétiques peuvent être remplacés par des cuves de décantation. Pour des installations a petite échelle (inférieure à 10 Ml par jour),ceci permet d'utiliser des appareils de clarification simples et peu onéreux du type à fond conique. 2. L'appoint d'eau de lavage peut être réduit à environ 1% ou moins de la capacité de l'installation. Ceci non seulement réduit les coûts de fonctionnement, mais également réduit considérablement les problèmes d'élimination de l'effluent. 3. Le nombre total d'étapes pour la régénération et le lavage a été réduit de 5 à 3. Les spéciaîistesde la technique comprendront que l'on peut ajouter au procédédC-critci-dessus une ou plusieurs étapes. supplémentaires de lavage, si ceci est considéré comme nécessaire. Au cours d'études à base d'essais en récipients du type de ceux décrits dans le brevet et dans la demande de brevet précités, on a étudié les performances d'un coagulant/adsorbant constitué par de la magnétite sur de nombreux cycles de traitement de l'eau, en utilisant de l'eau de la rivière Yarra (Victoria), et de régénération3 en utilisant des processus de mélange et de dépôt simulant le procédé de la présente invention. Après 37 cycles, la magnétite possédait encore des performances adéquates en tant que coagulant/adsorbant, et ces performances approchaient un état constant, c'est-a-dire que ces performances avant et après une étape de régénération étaient a peu près inchangées. Ceci indique que le cycle de traitement/régénération pourrait être répété presque indéfiniment. L'invention est illustrée plus en détail par les exemples suivants. Les exemples 1 à 3 sont relatifs à une série d'expériences sur installation pilote effectuées pour étudier la régénération et la récupération d'un coagulant/adsorbant constitué par de la magnétite, qui avait été utilisé à raison de 12,5 g/l pour clarifier de l'eau de la rivière Yarra (Victoria) ayant une turbidité de 60 UTN et une couleur de 43 unités Pt-Co. Lorsque l'on utilisait de la magnétite fraîche pour clarifier cette eau suivant les enseignements du brevet et de la demande de brevet précités, l'eau clarifiée avait une turbidité de 0,5 UTN et une couleur de 4 unités Pt-Co. Exemple 1: La magnétite chargée a été régénérée de la façon décrite dans le brevet précité, à l'exception du fait que l'on a utilisé des cuves de décantation à la place de séparateurs magnétiques. La concentration en magnétite dans les étapes de lavage était 30% en poids, et le débit d'eau de lavage était de 3%, c'est-à-dire que le volume d'eau utilisé pour laver la magnétite régénérée constituait 3% du volume total d'eau produite au cours de l'étape de clarification. La magnétite régénérée et lavée a été ensuite utilisée pour traiter une autre quantité de l'eau de rivière, après quoi la magnétite a été de nouveau régénérée. Après deux de ces cycles, on a constaté que la turbidité de l'eau clarifiée s'était élevée à 14 UTN et sa couleur à 9 unités Pt-Co, c'est-à-dire que la magnétite régénérée était nettement inférieure à la magnétite fraîche pour effectuer la clarification. Exemple 2: La procédure de l'exemple 1 a éts répétée, à l'exception du fait que la régénération et la récupération de la magnétite ont été effectuées conformément au procédé de la présente invention, la concentration de magnétite dans les étapes de lavage étant 8% en poids. Après 35 cycles, l'eau clarifiée avait une turbidité de 0,5 UTN et une couleur de 4 unités Pt-Co, ce qui montre que les performances de la magnétite régénérée étaient égales à celles de la magnétite fraîche. Exemple 3: La procédure de l'exemple 2 a été répétée, à l'exception du fait que le débit d'eau de lavage a été réduit à 1%. Après 35 cycles, l'eau clarifiée avait une turbidité de 0,8 UTN et une couleur de 8 unités Pt-Co, ce qui montre qu'une réduction importante du débit d'eau de lavage avait seulement un effet mineur sur la qualité de l'eau produite. Exemple 4: On a de plus examiné l'effet de la variation du débit d'eau de lavage sur la qualité de l'eau clarifiée dans une installation pilote de clarification d'eau dans laquelle la régénération de l'adsorbant chargé (magnétite) était effectuée de la manière décrite dans le brevet précité de la Demanderesse et dans laquelle on utilisait des séparateurs à tambour magnétique pour effectuer les étapes de séparation pendant la régénération et le lavage de la magnétite. La concentration de la magnétite dans les étapes de lavage était de 30% en poids. On a constaté que lorsque le débit d'eau de lavage était réduit de 5% à 1%, la turbi- dité de l'eau produite augmentait de 1,0 UTN 3 3,3 UTN. Exemple 5: La procédure de l'exemple 4 a été répétée dans une autre installation de clarification d'eau utilisant des séparateurs à tambour magnétique mais dans laquelle les étapes de régénération et de lavage étaient conçues et mises en oeuvre suivant les enseignements de la présente invention. La concentration de la magnétite dans les étapes de lavage était 8% en poids. Lorsque le débit d'eau de lavage a été réduit de 5% à 1%, la turbidité de l'eau produite s'est élevée de 0,9 UTN à seulement 1,3 UTN. Cet exemple, considéré en combinaison avec l'exemple4, démontre l'efficacité accrue de la procédure de régénération et de lavage suivant la présente invention par rapport à celle décrite dans le brevet précité de la Demanderesse, même lorsque l'on utilise des séparateurs magnétiques. Il montre également que la présente invention permet de réduire le débit d'eau de lavage à environ 1% sans diminuer de façon notable la qualité de l'eau clarifiée. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de régénération et de récupération d'un adsorbant chargé, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) on met l'adsorbant chargé en contact avec une solution alcaline pendant une durée suffiaante pour effectuer la régénération de l'adsorbant; (b) on dilue la boue résultante de l'adsorbant dans la solution alcaline avec un écoulement de liquide surnageant recyclé provenant de l'une des deux étapes suivantes de séparation ou de ces deux étapes, afin de réduire la concenr tration d'adsorbant dans la boue au moins au niveau où le dépôt non-entravé peut se produire;; (c) on sépare la boue pour obtenir un premier écoulement de liquide surnageant et un premier écoulement de fond de matières solides contenant l'adsorbant, et on envoie au rebut au moins une partie du premier écoulement de liquide surnageant, le reste étant éventuellement renvoyé à l'étape (b); (d) on transforme en une boue le premier écoulement de fond de matières solides de l'étape (c) au moyen d'eau de lavage et d'un second écoulement de liquide surnageant recyclé provenant de l'étape de séparation suivante; (e) on sépare la boue ainsi formée pour obtenir un second écoulement de liquide surnageant et un second écoulement de fond de matières solides, et on renvoie une partie de ce second écoulement de liquide surnageant à l'étape (d) et le reste à l'étape (b); et (f) on récupère le second écoulement de fond de matières solides contenant l'adsorbant régénéré et lavé. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de l'étape (a) de régénération est d'environ 10 minures. 3.- Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'adsorbant est de la magnétite. 4.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la concentration de la boue de magnétite après dilution dans l'étape (b) est inférieure à environ0 en poids. 5.- Procédé de clarification de l'eau, dans lequel on met l'eau en contact, éventuellement en présence d'un polyélectrolyte, avec un coagulant/adsorbant consistant en une matière minérale en particules finement divisée dont les particules individuelles possèdent une mince couche superficielle hydroxylée qui présente un potentiel dzêta positif au pH d'adsorption, et l'eau est séparée du coagulant/adsorbant pour obtenir l'eau clarifiée, caractérisé en ce que l'on régénère le coagulant/adsorbant suivant un procédé conforme à la revendication 1. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue l'une au moins des séparations des étapes (c) et (e) dans une cuve de décantation 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on effectue l'une au moins des séparations des étapes (c) et (e) dans un séparateur magnétique. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit d'eau de lavage est inférieur à 5%. 9.- Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le débit d'eau de lavage est environ 1%. 10.- Appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) des premiers moyens mélangeurs (5) pour transformer en boue l'adsorbant chargé au moyen d'une solution alcaline afin d'effectuer la régénération de l'adsorbant; (b) des seconds moyens mélangeurs (6) pour mélanger la boue provenant des premiers noyens mélangeurs avec un écoulement de liquide surnageant provenant de l'une des deux étapes suivantes de séparation, ou de ces deux étapes, pour réduire la teneur en matières solides de la boue; (c) des premiers moyens séparateurs (7) pour séparer la boue provenant des seoends rx::#ens mélangeurs afin d' obtenir un premier écoulement de fond de matières solides et un premier écoulement de liquide surnageant; (d) des moyens pour renvoyer une partie du premier écoulement de liquide surnageantaux secondsnoyens mélangeurs (7) et pour envoyer au rebut le liquide restant; (e) des troisièmes moyens mélangeurs (8) pour transformer en boue le premier écoulement de fond de matières solides au moyen d'eau de lavage et d'un second écoulement de liquide surnageant provenant de l'étape suivante; (f) des seconds moyens séparateurs (9) pour séparer la boue provenant des troisièmes moyens mélangeurs afin de fournir un second écoulement de fond de matières solides contenant l'adsorbant lavé et régénéré, et un second écoulement de liquide surnageant; et (g) des moyens pour renvoyer une partie du second écoulement de liquide surnageant aux seconds moyens mélan- geurs (6) et pour renvoyer le reste de cet écoulement de liquide surnageant aux troisièmes moyens mélangeurs (8). 11.- Appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend: (aa) des moyens (1, 2) de mélange et de mise en contact pour mettre l'eau à traiter en contact avec un coagulant/ adsorbant; (bb) éventuellement, des moyens (3) pour introduire un polyélectrolyte dans le mélange d'eau et de coagulant/adsor- bant; et (cc) des moyens primaires de séparation (4) pour séparer l'eau traitée du coagulant/adsorbant usé; ceci en association avec un appareil conforme & Sa revendication 10 destiné à recevoir le coagulantfadsorbant usé provenant des moyens primaires de séparation et à recycler le coagulant/adsorbant régénéré et lavéauxrnoyens (1, 2) de mélange et de mise en contact. 12.- Appareil suivant l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les moyens (d) et (g) comprennent des moyens de réglage pour régler les proportions des écoulements de liquide surnageant renvoyées aux moyens respectifs. 13.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les moyens de séparation (c) et/ou (f) comprennent une cuve de décantation (7, 9). 14.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les moyens de séparation (c) et/ou (f) comprennent un séparateur magnétique.