Brevet FR2596293A1 — publié le 19871002

La présente invention concerne un appareil de séparation par flottation, aussi appelé "flottateur", destine principalement à l'épaississement des boues de traitement des eaux usées, mais aussi, par exemple, au prétraitement avant filtration finale des eaux de consommation humaine. Les spécialistes en la matière savent qu'un tel appareil utilise les mêmes lois de Stokes que lors de la sédimentation en silo, mais dans un champ de forces inversé par rapport à la pesanteur qui est créé par un nuage de fines bulles d'air de 50 à 80 microns de diamètre réparties le plus uniformément possible dans la section active du flottateur, la vitesse ascensionnelle de ces bulles variant de quelques millimètres par seconde à quelques centimètres par seconde. La masse volumique apparente des couples formés par une particule et une bulle de gaz est inférieure à celle du liquide dans lequel ils sont en suspension, ce qui entraîne une résultante des forces dirigée vers le haut par composition de la poussée d'Archimède et de la pesanteur. Les particules sont ainsi séparées du liquide, concentrées à la surface du flottateur, râclées et évacuées hors de la zone d'épaississement. On sait également que le rapport entre le poids d'air injecté et le poids de boue est déterminé a priori par une expression numérique prenant en compte la concentration d'entrée, et ajustée pour chaque type de boue après des essais de flottation. Les fines bulles sont engendrées par dissolution d'air sous pression dans de l'eau épurée ou de recirculation, puis par détente à la pression atmosphérique, en application de la loi d'Henry. Le rendement de l'appareil et son pouvoir de coupure sont fonction de conditions hydrauliques précises dans la zone de mélange, comme l'existence de gradients de vitesse faibles n'entraînant pas de coalescences trop rapides des bulles et conservant assez de fines bulles pendant un temps important, et du rapport entre les tailles des bulles d'air et des particules à séparer. En outre, la reprise des boues épaissies conditionne le pouvoir de coupure et la concentration finale de ces boues. Enfin, le temps de séjour très court dans l'appareil, inférieur à deux heures, rend ce type d'épaississement très intéressant par rapport aux épaississeurs classiques. La principale difficulté que l'on rencontre dans la technique de la flottation est d'assurer dans de bonnes conditions le contact entre les bulles d'air et les matières à flotter, c'est-à-dire d'obtenir statistiquement un accrochage du plus grand nombre possible de bulles à un nombre de particules le plus élevé possible, d'obtenir des liaisons assez solides pour entraîner les matières flottées dans la zone de concentration, et de ne pas provoquer de coalescences trop rapides. Or, généralement, les parcours communs à vitesse égale des bulles et des particules ne sont pas assez longs, faute de maîtriser suffisamment la dissipation d'énergie du flux de boue et du flux de bulles, par exemple parce que la zone de mélange présente un volume trop restreint ou que le gradient de vitesse des flux est trop élevé dans cette zone. En outre, une chambre de contact trop petite peut favoriser le phénomène de coalescence des fines bulles en bulles plus grosses et diminuer ainsi le taux statistique de capture des matières à flotter. Une autre raison pouvant entraîner un rendement faible en épaississement ou un pouvoir de coupure faible, le sous-nageant étant alors chargé, est un phénomène de perturbation dans la zone des boues épaissies observé lorsque les râcles de surface abordent la rampe d'échouage précédent la goulotte de reprise des boues épaissies, cette perturbation causant une certaine décohésion des boues flottées, voire une décantation partielle. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des dispositifs connus, tels qu'ils viennent d'être rappelés, et, notamment, d'augmenter le rendement de tels appareils et, en conséquence, de diminuer le temps de séjour des eaux à traiter. Ce but, et d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à un appareil de séparation par flottation du genre comprenant une cuve cylindrique et des organes d'amenée des boues à épaissir, de reprise des boues épaissies, d'amenée d'eau pressurisée et de reprise de l'eau clarifiée qui, selon l'invention, est caractérisé par le fait que la cuve comporte, au voisinage du centre de son fond, une zone de mélange dans laquelle débouchent une tubulure d'amenée d'eau pressurisée s'ouvrant vers le haut, et, au-dessus de cette tubulure, une canalisation d'amenée des boues à épaissir qui est ouverte vers le bas. On comprend qu'ainsi le contact entre les boues à épaissir et les bulles d'air de l'eau pressurisée qui s'échappent par détente, ainsi que cela a été dit plus haut, se trouve amélioré par rapport à l'état antérieur de la technique, du fait que ce contact a lieu à contre-courant et selon un éCoUlement radial, ce qui augmente donc le rendement de l'appareil. De préférence, la zone de mélange est délimitée, à l'intérieur de la cuve, par une paroi dont la partie supe rieure se prolonge vers le haut par une jupe tronconique évasée vers le haut et ouverte à sa partie supérieure. Cette disposition améliore encore le rendement de l'appareil, puisque la jupe en question favorise la dispersion sur toute la surface de l'appareil des couples bulles/particules, alimente la couche d'épaississement d'une manière égale, évite les courts-circuits hydrauliques et établit un gradient de vitesse décroissant, tout en évitant les phénomènes de coalescence qui pourraient détruire la liaison entre les bulles et les particules. Avantageusement, l'angle au sommet de la jupe tronconique en question est compris entre 90 et 1100, de telles valeurs s'étant révélées optimales pour la dispersion du couple bulles/particules. Selon une forme de réalisation avantageuse de la présente invention, le flottateur comporte à sa partie supérieure un râcleur tournant muni d'au moins un bras de râclage sensiblement radial qui tourne dans un plan horizontal et dont le niveau dans la cuve et l'inclinaison dans le plan horizontal par rapport au diamètre correspondant de la cuve lui permettent d'évacuer les boues épaissies vers une goulotte radiale dont le fond est fortement incliné et qui est précédée, de préférence, par une zone de caillebotis stabilisatrice. Selon une autre disposition avantageuse de l'invention, les organes de reprise de l'eau clarifiée comprennent une tubulure annulaire qui encercle la jupe tronconique spécifiée ci-avant, qui est munie de passages pour l'eau reprise et qui communique avec une tubulure radiale d'évacuation vers l'extérieur de la cuve. La zone dans laquelle se trouve cette tubulure annulaire de reprise étant une zone calme, du fait de la présence de la jupe tronconique spécifiée ci-avant qui la surplombe en partie, on voit que l'équirépartitîon polaire de la reprise est parfaite et l'accélération de vitesse faible au droit des trous de reprise qui introduisent une fragmentation importante de l'écoulement. Dans ces conditions, l'entraînement de matières en suspension flottées ou de fines, particules sédimentées est pratiquement impossible : puisque la hauteur entre le dessous de la couche flottée et le dessus de la jupe conique est importante, la vitesse du sous-nageant à ce niveau est très faible, et il n'entraîne pas la couche flottée. Dans une forme de réalisation avantageuse, l'appareil selon l'invention comprend un fût axial creux dont l'extrémité supérieure supporte le râcleur spécifié ci-avant et à l'intérieur duquel passe la canalisation d'amenée des boues à épaissir, cette disposition simplifiant notablement l'architecture de l'installation. De préférence, le fond de l'appareil de séparation selon l'invention est tronconique et il est surplombé par des rampes radiales d'amenée d'eau de lavage. On notera enfin que la forme circulaire de l'ensemble de l'appareil est économique et rationnelle : elle permet un système de râclage simple occasionnant peu de perturbations sur la couche déjà flottée, y compris au droit de la goulotte de reprise si l'on adjoint à cette dernière une zone de caillebotis stabilisatrice précédant l'endroit où les râcles atteignent la rampe de la goulotte. La description qui va suivre, et qui ne présente aucun caractère limitatif, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. Elle doit être lue en regard de la figure unique annexée qui est une vue en coupe axiale d'un flottateur selon l'invention. Comme on le voit sur la figure, cet appareil comprend une cuve cylindrique i réalisée de préférence en acier vitrifié, composée de panneaux boulonnés et posée sur un radier 2 dont l'ossature, qui peut être réalisée en profilés d'acier boulonnés ou en béton armé, assure la répartition des charges sur le sol, la pression sur ce dernier étant relativement faible. Le fond 3 proprement dit présente une forme tronconique évasée vers le haut ; il est réalisé en béton armé ou non, et il est recouvert d'une chape lissée qui assure l'étanchéité avec la paroi de la cuve 1. Le centre du radier 2 est aménagé de façon à former une zone ou chambre de mélange 4 dans laquelle a lieu le contact entre les bulles d'air et les particules. Plus précisément, cette chambre 4 comporte une paroi cylindrique 5 qui se prolonge vers le haut par une partie tronconique 6 se rétrécissant vers le haut qui est fixée sur le radier 2, qui est munie de passages et qui, elle-même, se prolonge vers le haut par un fût cylindrique 7 dont le rôle sera précisé plus loin. Une jupe tronconique 8 s'élargissant vers le haut et ouverte à sa partie supérieure est fixée par sa base, d'une manière étanche, sur le haut de la paroi cylindrique 5. Elle délimite, avec la partie tronconique 6 et le bas du fût 7, une zone 9 de séparation des boues traitées. Elle délimite aussi, vers l'extérieur cette fois, avec la paroi de la cuve 1 et le fond 3, une zone supérieure calme 10 et une zone inférieure 11 de reprise du sous-nageant clarifié. Bien entendu, ces zones 9, 10 et il n'étant pas séparées matériellement les unes des autres, il est impossible d'indiquer de façon précise leurs limites respectives. Les boues à épaissir provenant d'une pompe à boues non représentée sont introduites dans l'appareil par une canalisation radiale 12 qui est située en haut de la cuve 1, qui présente un coude vers le bas lorsqu'elle rencontre l'axe vertical de cette cuve et qui s'étend vers le bas à l'intérieur du fût 7. Elle débouche dans la zone de mélange 4, sensiblement à la moitié de la hauteur de la partie tronconique 6, par une embouchure 13 de hauteur réglable. A sa partie supérieure, le fût 7 sert de pivot central à un râcleur qui est désigné dans son ensemble par le repère 14 et qui peut comprendre un ou plusieurs bras de râclage 15 suspendus par des tirants 16 au sommet du fût 7. Ces bras 15 sont radiaux, ainsi que l'alignement des racles, un diamètre de la cuve pouvant être constitué par l'alignement de deux bras opposés, cependant que l'articulation des racles est nettement déportée dans le sens de rotation de façon à faire trainer ces racles sur la couche de boues flottées. Le râcleur 14 est entraîné par un moto-variateur non représenté qui permet la régulation de la vitesse de rotation, et donc du débit à la récolte des matières traitées. Le râcleur 14 entraîne les boues épaissies qui se trouvent à la surface du contenu de la cuve 1, et il les déverse à chaque tour dans une ou plusieurs goulottes radiales 17 précédées d'une zone de caillebotis stabilisatrice 18. Chaque goulotte 17 dont le fond est fortement incliné, par 'exemple de 25 , dirige les boues épaissies, par gravité, vers une bâche non représentée, ou elle les amène à une tubulure qui les conduit à une pompe d'évacuation. Ayant ainsi suivi le trajet des boues, on décrira maintenant celui des fluides dans l'appareil selon l'invention. L'eau pressurisée, dont l'origine sera précisée plus loin, est introduite par une tubulure radiale 19 dans le fond de la chambre de mélange 4, et elle en sort vers le haut grâce à une boîte de diffusion 20 munie d'orifices à sa partie supérieure seulement. Pour sa part, l'eau clarifiée est reprise hydrostatiquement par une tubulure en anneau 21 qui est percée de trous ou de fentes, qui entoure la jupe tronconique 8 vers la moitié de cette hauteur, dans la zone calme 10, et qui débouche dans une tubulure radiale 22 conduisant l'eau clarifiée vers l'extérieur de l'appareil.Enfin, de l'eau de lavage peut être introduite dans cet appareil par une tubulure 23 qui débouche, par l'intermédiaire d'une canalisation annulaire 24 longeant la paroi de l'appareil, dans des rampes 25 qui qui sont percées de trous ou de fentes orientées vers le bas et qui s'étendent radialement légèrement au-dessus du fond 3 de la cuve. D'autre part, il est prévu une tubulure radiale de vidange 26 dont l'entrée se situe tout au bas de la zone de reprise 11, non loin de la paroi extérieure de la partie cylindrique 5 de la zone de mélange 4. Cette tubulure de vidange 26 traverse horizontalement le fond tronconique 3 et elle débouche en 27 à l'extérieur de l'appareil. Enfin, il est également prévu une prise d'eau décantée 28 au sommet de la cuve 1. Le mode de fonctionnement de l'appareil qui vient d'être décrit est le suivant : les boues à épaissir arrivent par la tubulure 12 et débouchent en 13 dans la zone de mélange 4 où elles rencontrent les bulles d'air contenues dans }'eau pressurisée sortant de la boîte de diffusion 20, ces bulles étant engendrées par détente de l'eau selon la loi de Henry. Il se forme alors des couples bulles/particules, et ce, avec un excellent rendement, du fait que les bulles et les boues se déplacent à contre-courant. D'autre part, le fait que la hauteur de l'embouchure de sortie 13 des boues soit réglable par rapport à la boîte de diffusion 20 permet de faire varier aisément le volume pris en compte lors du calcul du gradient de vitesse dans la zone de contact 4. Les couples bulles/particules sont soumis à des forces dont la résultante est dirigée vers le haut, ainsi que cela a été expliqué au début du présent exposé, et ils peuvent donc traverser la paroi perforée 6 selon les flèches F1 pour pénétrer à l'intérieur de la jupe tronconique 8 où ils se dispersent progressivement en étant soumis au gradient de vitesse évoqué ci-avant, gradient décroissant qui contribue à la séparation des boues flottées et du liquide. A leur sortie de la jupe 8, les boues flottées poursuivent leur progression vers le haut pour être ensuite reprises par râclage, ainsi que cela a été dit plus haut, cependant que l'effluent clarifié traverse la zone calme 10 (Flèches F2) pour être reprise par la tubulure annulaire 21, comme indiqué ci-avant. En ce qui concerne enfin l'eau pressurisée qui est introduite dans l'appareil selon l'invention, elle est produite par un générateur qui est constitué, pour l'essentiel, par un ballon en acier dans lequel est introduit, d'une part, de l'air comprimé sous une pression de 5 à 6 bars par exemple, et, d'autre part, de l'eau de recirculation qui s'écoule sur un lit d'anneaux de Raschig d'une hauteur d'un mètre au maximum, par l'intermédiaire d'un dispositif d'équirépartition à buses d'alimentation. Toutefois, il est également possible de pulvériser tout simplement l'eau de recirculation au-dessus du plan d'eau libre contenu dans le ballon. Ce plan est maintenu entre deux limites au moyen d'un système d'asservissement classique utilisant des sondes de niveau. Quant aux diverses sécurités, alarmes et commandes des pompes de recirculation de boue et d'eau, ainsi qu'aux divers automatismes d'injection d'air, ils sont regroupés dans une armoire électrique étanche disposée à proximité des installations. On indiquera enfin que des appareils selon la présente invention, d'un diamètre allant de 2,50 à 15 mètres environ, permettent, à raison d'une charge au radier optimale de 5 à 6 kg/m2/h en matières sèches avec une concentration moyenne de 5 g/l, de traiter de 600 à 20.000 kg de matières sèches par jour ou de 120 à 4.600 m3 de boues par jour, ce qui couvre une très large gamme d'installations telles qu'on les rencontre dans l'industrie du traitement des eaux. - REVENDICATIONS 1. Appareil de séparation par flottation, du genre comprenant une cuve cylindrique et des organes d'amenée des boues à épaissir, de reprise des boues épaissies, d'amenée d'eau pressurisée et de reprise de l'eau clarifiée, caractérisé par le fait que la cuve comporte, au voisinage du centre de son fond (3), une zone de mélange (4) dans laquelle débouchent une tubulure (19) d'amenée d'eau pressurisée s'ouvrant vers le haut, et, au-dessus de cette tubulure (19), une canalisation (13) d'amenée des boues à épaissir qui est ouverte vers le bas. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite zone de mélange (4) est délimitée, à l'intérieur de la cuve (1), par une paroi (5) dont la partie supérieure se prolonge vers le haut par une jupe tronconique (8) évasée vers le haut et ouverte à sa partie supérieure. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'angle au sommet de ladite jupe tronconique (8) est compris entre 90 et 1100. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la hauteur à laquelle ladite canalisation (13) d'amenée des boues à épaissir débouche dans ladite zone de mélange (4) est réglable. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comporte à sa partie supérieure un râcleur tournant (18) muni d'au moins un bras de râclage (15) sensiblement radial qui tourne dans un plan horizontal et dont le niveau dans la cuve (1) et l'inclinaison dans le plan horizontal par rapport au diamètre correspondant de la cuve lui permettent d'évacuer les boues épaissies vers une goulotte radiale (17) dont le fond est fortement incliné. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chaque goulotte (17) est précédée par une zone de caillebotis stabilisatrice. (18). 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que lesdits organes de reprise de l'eau clarifiée comprennent une tubulure annulaire (21) qui entoure ladite jupe tronconique (8), qui est munie de passages pour l'eau reprise et qui communique avec une tubulure radiale (22) d'évacuation vers l'extérieur de la cuve (1). 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comporte un fût axial creux (7) dont l'extrémité supérieure supporte ledit râcleur (14) et à l'intérieur duquel passe ladite canalisation (13) d'amenée des boues à épaissir. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que son fond (3) est sensiblement tronconique et évasé vers le haut. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des rampes (25) alimentées depuis l'extérieur de la cuve (1) en eau destinée au lavage dudit fond (3), cette eau pouvant être alternativement peu détendue et détendue fortement.