Brevet FR2610533A1 — publié le 19880812

La présente invention concerne le domaine de l'épuration des eaux naturelles en vue de l'obtention d'eau potable, et plus précisément elle a pour objet des procédés d'obtention d'une matière filtrante granulée pour épurer des eaux naturelles d'une chromaticité moyenne et élevée. Il est d'ailleurs à noter qu'en règle générale, les eaux naturelles d'une chromaticité moyenne et élevée ont une faible turbidité. On sait que la chromaticité de l'eau naturelle est due à la présence en son sein de substances d'humus, et la turbidité, à la présence de particules en suspension. On connaît un procédé d'obtention d'une matière filtrante granulée pour l'épuration des eaux naturelles, consistant à granuler des argiles naturelles réduites, la granulation étant opérée dans un lit fluidisé et étant suivie d'une cuisson des granules ainsi obtenus à une température de 1050 à 1250 C (V.N.Martensen, R.I.Ajukaev, A.K.Strelkov, S.M.Chandalov, P.G.Bykova "Drobleny keramzit- novy filtrujuschy material dlya vodoochistnykh filtrov", Kuibyshev, 1976, pages 33-35). Le procédé en question fournit une matière filtrante n'ayant qu'un faible pouvoir d'adsorption des substances d'humus et des particules en suspension. On connaît également un procédé d'obtention d'une matière filtrante granulée pour l'épuration des eaux naturelles, consistant à granuler, dans un lit fluidisé, une suspension aqueuse d'argiles naturelles additionnées de magnétite broyée engagée en proportion de 35 à 70% de la masse d'argile, en effectuant ultérieurement une cuisson des granules ainsi obtenus à une température de 600 à 900 C (certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 982 723, publié dans le bulletin "Otkrytia, izobréténia, promyshlennyé obraztsy, tovarnye znaki", N 147, en date du 23.12.82). Ce procédé ne permet d'accroître que légèrement le pouvoir d'adsorption de la matière filtrante par rapport aux substances d'humus et aux particules en suspension présentes dans l'eau naturelle. On connaît en outre un procédé d'obtention d'une matière filtrante granulée pour l'épuration des eaux naturelles, consistant à granuler, dans un lit fluidisé, une suspension aqueuse de kaolin, additionnée d'une poudre de carbonate de magnésium engagée en proportion de 15 à % de la masse de kaolin, la granulation étant suivie d'une cuisson des granules ainsi obtenus à une température de 850 à 900 C (certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 1 152 650, publié dans le bulletin"Otkrytia, izobréténia", N 16, en date du 30.04.85). Le procédé en question permet d'accroître notable- ment le pouvoir d'adsorption de la matière filtrante granulée par rapport aux substances d'humus et aux particu- les en suspension. Ceci permet, à son tour, d'effectuer l'épuration des eaux naturelles de façon à obtenir une eau potable d'une qualité suffisamment élevée. Toutefois, la durée d'un cycle de filtration pour la matière filtrante en question est peu importante, ce qui nécessite des arrêts fréquents des ouvrages de filtration en vue de régénérer la matière filtrante; on voit également augmenter le coût de l'épuration des eaux naturelles. On connaît également un procédé d'obtention d'une matière filtrante granulée pour l'épuration des eaux naturelles, consistant à granuler, dans un lit fluidisé, une suspension aqueuse d'argiles naturelles additionnées d'un produit naturel à base de carbonatesde calcium et de magnésium, à savoir un calcaire contenant 7 à 24% en poids de carbonate de magnésium, ce produit étant engagé en proportion de 20 à 40% de la masse de l'argile, la granulation étant suivie d'une cuisson des granules ainsi obtenus à une température de 700 à 900 C (certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 1 033 179, publié dans le bulletin "Otkrytia, izobréténia", N 29, en date du 07.08.83). Ce procédé ne permet d'accroitre que légèrement le pouvoir d'adsorption de la matière filtrante par rapport aux substances d'humus et aux particules en suspension. Dans tous les procédés connus décrits, excepté le procédé selon le certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. NO i 152 650, on obtient une matière filtrante granulée qui ne fonctionne qu'à la condition d'introduire, dans l'eau à épurer, un coagulant, par exemple du sulfate d'aluminium. La présence de l'ion Al dans l'eau épurée lui confère une certaine toxicité. En outre, si la chromaticité de l'eau à clarifier est élevée, on ne parvient pas à abaisser cette chromaticité à une valeur répondant aux exigences imposées à la qualité d'une eau potable. L'invention a pour but de choisir, pour un procédé d'obtention d'une matière filtrante granulée pour l'épura- tion des eaux naturelles, consistant à granuler, dans un lit fluidisé, une suspension aqueuse de kaolin, additionnée d'une poudre d'un produit naturel à base de carbonates de calcium et de magnésium, la granulation étant suivie d'une cuisson des granules ainsi obtenus à une température de 900 à 950 C, un tel additif naturel à base de carbonates de calcium et de magnésium, qui permettrait d'obtenir une matière filtrante granulée présentant un fort pouvoir d'adsorption vis-à-vis des substances d'humus et des particules en suspension,le procédé étant caractérisé par un cycle de filtration de longue durée et assurant une épuration efficace de l'eau naturelle sans avoir à y ajouter un coagulant. Le problème ainsi posé est résolu parce qu'en tant qu'additif en poudre, on utilise la dolomie à une propor- tion de 20 à 25% de la masse du kaolin. La dolomie est un minéral constitué à 12 à 26% en poids de carbonate de calcium et à 88 à 74% en poids de carbonate de magnésium. La dolomie en poudre utilisée dans le procédé selon l'invention se décompose entièrement lors de la cuisson des granules aux températures indiquées ci-dessus, dans tout le volume des granules, en donnant des oxydes de magnésium et de calcium, dont les microcristaux sont des centres actifs favorisant une adsorption poussée des substances d'humus et des particules en suspension sur la surface de la matière filtrante granulée. Le procédé proposé permet donc d'obtenir une matière filtrante granulée ayant un fort pouvoir d'adsorption par rapport aux substances d'humus et aux particules en suspension. Cette matière filtrante est caractérisée par un cycle de filtration prolongé, ce qui permet d'exclure les arrêts fréquents des ouvrages de filtration en vue de la régéné- ration de la matière filtrante et de rendre moins coûteux le procédé d'épuration des eaux naturelles. En outre, la matière filtrante selon l'invention fonctionne sans avoir à ajouter, à l'eau à épurer, un coagulant, ce qui simplifie le procédé d'épuration de l'eau du point de vue technologique et réduit le prix de revient de l'eau épurée. Tout ce qui vient d'être dit permet d'effectuer l'épuration des eaux naturelles en assurant l'obtention d'une eau potable de haute qualité. Il est à noter que la dolomie, utilisée comme addi- tif dans le procédé selon l'invention, est une matière première très répandue. Il a été dit plus haut que la cuisson des granules est opérée à une température de 900 à 950 C. Il n'est pas recommandé d'effectuer la cuisson à des températures inférieures à 900 C, car les granules, à ces températures plus basses, ont une résistance mécanique insuffisante. En outre, des températures de cuisson plus basses ne donnent pas lieu à une décomposition intégrale de la dolomie fournissant les oxydes de magnésium et de calcium, ce qui provoque une baisse du pouvoir d'adsorption de la matière filtrante. Il n'est pas non plus utile de réaliser la cuisson des granules à des températures supérieures à 950 C, car on voit alors s'accroître la consommation improductive d'énergie pour cette opération. Dans le procédé proposé, on utilise la dolomie en poudre en quantités de 20 à 25% de la masse du kaolin. Il n'est pas recommandé d'utiliser la dolomie en quantités inférieures à 20% de la masse du kaolin, sous peine de provoquer une baisse considérable du pouvoir d'adsorption de la matière filtrante obtenue par rapport aux substances d'humus et aux particules en suspension, présentes dans l'eau naturelle à épurer. On n'a pas intérêt à utiliser la dolomie en quantités supérieures à 25% de la masse du kaolin, étant donné que le pouvoir d'adsorption de la matière filtrante ne s'en accroît pratiquement pas, alors que la résistance mécanique des granules en diminue. Le procédé proposé pour obtenir une matière fil- trante granulée est mis en oeuvre de la manière suivante. On prépare une suspension aqueuse de kaolin, additionnée de dolomie en poudre, engagée en une quantité de 20 à 25% de la masse du kaolin. Le rapport en poids entre la phase solide (kaolin plus dolomie) et la phase liquide varie, au sein de la suspension, entre 1:1,5 et 1:2, respectivement. La suspension ainsi préparée subit une granulation dans un appareil à lit fluidisé. Les granules qui en résultent sont soumis à une cuisson à une température de 900 à 950 C, puis refroidis. La cuisson des granules peut être opérée aussi bien dans le même appareil qu'ailleurs, notamment dans un four à griller. On obtient finalement une matière filtrante revêtant l'aspect d'un mélange de granules de tailles différentes et d'une granulométrie allant de 0,5 à 2,0 mm. La matière filtrante granulée obtenue par le procédé selon l'invention peut être efficacement utilisée dans des ouvrages de filtration fonctionnant selon le principe tant de filtration descendante qu'ascendante. Une bonne qualité de l'épuration des eaux naturelles est garantie sans que l'on ait à ajouter un coagulant à l'eau à épurer. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation. EXEMPLE 1 On prépare une suspension aqueuse de kaolin, additionnée de'dolomie en poudre, constituée à 16% en poids de CaCO3 et à 84% en poids de MgCO3, engagée en une quantité de 20% de la masse du kaolin. Le rapport en poids entre la phase solide (kaolin plus dolomie) et la phase liquide est égal, au sein de la suspension, à 1:1,5, respectivement. La suspension ainsi préparée subit une granulation dans un appareil à lit fluidisé. Les granules ainsi obtenus sont retirés de l'appareil et placés dans un four à griller o ils subissent une cuisson à une température de 900 C. Cela fait, on refroidit les granules. On obtient finalement une matière filtrante revêtant l'aspect d'un mélange de granules de tailles différentes, d'une granulométrie allant de 0,5 à 2,0 mm. EXEMPLE 2 On prépare une suspension aqueuse de kaolin, additionnée d'une dolomie en poudre constituée à 26% en poids de CaCO3 et à 74% en poids de MgC03, engagée à raison de 25% de la masse du kaolin. Le rapport en poids entre la phase solide (kaolin plus dolomie) et la phase liquide est égal, au sein de la suspension, à 1:2, respec- tivement. La suspension ainsi préparée subit une granulation dans un appareil à lit fluidisé. Les granules qui en résultent sont soumis à une cuisson dans le même appareil à une température de 950 C. Ensuite, on extrait les granules de l'appareil et on les refroidit. On obtient finalement une matière filtrante revêtant l'aspect d'un mélange de granules de tailles différentes, d'une granulométrie allant de 0,5 à 2,0 mm. EXEMPLE 3 On obtient une matière filtrante granulée comme à l'exemple 1. On utilise à cet effet une dolomie constituée à 26% en poids de CaCO3 età74% en poids de MgCO3, engagée en une quantité de 25% de la masse du kaolin. Le rapport en poids entre la phase solide (kaolin plus dolomie) et la phase liquide est égal, au sein de la suspension, à 1:2, respectivement. La température de cuisson des granules est de 950 C. EXEMPLE 4 On obtient une matière filtrante granulée comme à l'exemple 1. On utilise à cet effet une dolomie constituée à 22% en poids de CaCO3 et à 78% en poids de MgC03, engagée en une quantité de 22% de la masse du kaolin. Le rapport en poids entre la phase solide (kaolin plus dolomie) et la phase liquide est égal, au sein de la suspension, à 1:1,75, respectivement. La température de cuisson des granules est de 920 C. EXEMPLE 5 On obtient une matière filtrante granulée comme à l'exemple 2. On utilise à cet effet une dolomie constituée à 16% en poids de CaCO3 et à 84% en poids de MgCO3, engagée en une quantité de 20% de la masse du kaolin. Le rapport en poids entre la phase solide (kaolin plus dolomie) et la phase liquide est égal, au sein de la suspension,à 1:1,5, respectivement. La température de cuisson des granules est de 900 C. EXEMPLE 6 On obtient une matière filtrante granulée comme à l'exemple 2. On utilise à cet effet une dolomie constituée à 22% en poids de CaCO3 et à 78% en poids de MgCO3, engagée en une quantité de 22% de la masse du kaolin. Le rapport en poids entre la phase solide (kaolin plus dolomie) et la phase liquide est égale, au sein de la suspension, à 1:1,75, respectivement. La température de cuisson des granules est de 920 C. Les matières filtrantes granulées obtenues selon les exemples 1 à 6, ainsi que, à titre comparatif, les matières filtrantes granulées obtenues selon les certifi- cats d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 1 152 650 et 1 033 179 ont été essayées quant au pouvoir d'adsorption par rapport aux substances d'humus, qui sont à l'origine de la chromaticité de l'eau naturelle. Pour ce faire, on a utilisé des matières filtrantes d'une granulométrie de 1,0 à 1,2 mm. Les essais ont été effectués de la manière suivante. Une prise d'essai (10 g) de chaque matière filtrante a été placée dans un flacon contenant 100 ml d'extrait de tourbe d'une chromaticité de 500 degrés. Le flacon avec son contenu a été légèrement secoué une fois toutes les deux heures. Le pouvoir d'adsorption de chaque matière filtrante a été déterminé d'après la diminution de l'intensité de coloration de l'extrait de tourbe (par suite de l'adsorp- tion des substances d'humus sur la surface des granules de la matière filtrante) après un maintien pendant 24 heures. Les résultats obtenus sont présentés au tableau 1. En outre, le tableau I contient des-donhées relatives à l'effet de décoloration qui a été déterminé comme un rapport de la valeur de la baisse de la chromaticité de l'extrait de tourbe à celle de sa chromaticité de départ, rapport exprimé en %. Tableau 1 Matière Nature et Pouvoir d'adsorption de la filtrante quantité matière filtrante granulée granulée de l'additif par rapport aux substances incorporé, d'humus % en poids du kaolin du kaolin Chromati- Valeur Effet de cité de de la décolora- l'extrait baisse tion, de tourbe de la à l'issue chroma- % d'un ticité main- de l'ex- tien de trait de 24 h, tourbe, degrés degrés Selon les exemples 1 et 5 dolomie, 20 280 220 44 Selon les exemples 2 et 3 dolomie, 25 260 240 48 Selon les exemples 4 et 6 dolomie, 22 275 225 45 Selon le certificat carbonate de d'Auteur magnésium, 30 350 150 30 d'U.R.SS.S. NO 1 152 650 Selon le Calcaire certificat contenant 14% d'Auteur en poids de d'U.R.S.S. carbonate de N 1 039 179 magnésium, 30 420 80 16 Le tableau 1 fait ressortir que la matière fil- trante granulée obtenue selon le procédé de l'invention (exemples 1 à 6) dépasse de 1,4 à 1,6 fois, en ce qui concerne l'effet de décoloration, la matière filtrante obtenue selon le certificat d'Auteur d'invention d'U.R. S.S. N 1 152 650, et de 2,7 à 3 fois celle obtenue selon le certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 1 033 179. La matière filtrante granulée obtenue par le procédé proposé selon les exemples 1 à 6 et les matières filtrantes granulées obtenues selon les certificats d'Auteur d'invention N s 1 152 650 et I 033 179 ont été essayées pour épurer une eau de rivière d'une chromaticité élevée, présentant les indices suivants: chromaticité - 210 degrés, turbidité - 8 mg/litre, pH = 6,7. Des essais technologiques ont été effectués sur un banc d'essai constitué de trois colonnes de filtration de 50 mm de diamètre et de 2.000 mm de haut. La première colonne a été garnie d'une matière filtrante obtenue par le procédé proposé, la deuxième, d'une matière filtrante obtenue selon le certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 1 152 650, la troisième, d'une matière filtrante obtenue selon le certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 1 033 179. On a utilisé, à cette fin, des matières filtrantes d'une granulométrie de 1,0 à 1,2 mm. La hauteur de la couche de chaque matière filtrante dans la colonne était de 1.000 mm. La filtration d'eau de rivière a été opérée selon un schéma descendant. La vitesse de filtration a été maintenue constante et égale à 5 m/h. On n'a introduit aucun coagulant dans l'eau de rivière à épurer avant la filtration. La quantité d'eau de rivière épurée en un cycle de filtration a servi de critère de l'efficacité de fonctionnement des matières filtrantes. On entend par cycle de filtration un laps de temps pendant lequel la colonne de filtration fournit une eau épurée répondant aux exigences imposées à la qualité de l'eau potable quant à la chromaticité et à'la turbidité, à savoir: la chromaticité ne doit pas être supérieure à 20 degrés, la turbidité, à 1,5 mg/litre. La filtration de l'eau de rivière a été opérée pendant 10 h, la chromaticité et la turbidité ont été déterminées chaque heure. Les résultats des essais technologiques des matières filtrantes granulées obtenues selon le procédé proposé et selon les certificats d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N s 1 152 650 et 1 033 179 sont présentés dans le tableau 2. Tableau 2 Matière filtrante granulée Durée de filtra- Selon le procédé revendiqué filtra- tion, h additionnée de dolomie additionnée de dolomie en une quantité de 20% en une quantité de 20% de la masse du kaolin de la masse du kaolin. (exemples 1 et 5) (exemples 4 et 6) chromaticité turbidité chromatiturbidité du filtrat, du filtrat, cité du du filtrat, degrés mg/litre filtrat, mg/litre degrés i 2 3 4 5 i 12 0,8 9 0,8 2 12 0,8 10 0,8 3 14 0,8 11 0,9 4 15 0,9 11 0,8 15 0,9 12 0,9 6 17 1,1 14 1,0 7 19 1,2 17 1,0 8 20 1,3 20 1,1 9 25 1,4 23 1,2 30 1,6 27 1,4 Tableau 2 (suite) Durée Matière filtrante granulée de fil- selon le procédé revendiqué tration, additionnée de dolomie en une quantité de 25% h de la masse du kaolin (exemples et et 3) chromaticité du turbidité du filtrat, filtrat, degrés mg/litre i 6' 7 i 8 0,7 2 9 0,7 3 10 0,7 4 11 0,8 12 0,8 6 13 0,9 7 15 1,0 8 18 1,1 9 20 1,2 23 1,2 Tableau 2 (suite) Matière filtrante granulée Durée de selon le procédé connu la fil- tration, conforme au cert. conforme au cert. d'Auteur d'inv. d'Auteur d'inv. h d'U.R.S.S. d'U.R.S.S. N 1 152 650, N 1 033 179 additionnée de additionnée de carbonate de calcaire contenant magnésium en une 14% en poids de quantité de 30% carbonate de de la masse du magnésium, en une kaolin quantité de 30% de la masse du kaolin chromati- turbidité chromati- turbidité cité du du du du filtrat, filtrat, filtrat, filtrat, degrés mg/litre degrés mg/litre 1 8 9 10 11 1 12 0,8 55 2,4 2 14 0,9 60 2,6 3 16 1,0 70 2,9 4 17 1,1 75 3,0 20 1,1 85 3,3 6 23 1,3 90 3,5 7 28 1,4 100 3,7 8 35 1,6 115 3,9 9 45 1,8 120 4,0 55 2,0 135 4,4 Le tableau 2 fait ressortir que la durée d'un cycle de filtration pour la matière filtrante granulée obtenue selon le procédé proposé a les valeurs suivantes; en heures: avec addition de dolomie en une quantité de 20% de la masse du kaolin (exemples 1 et 5) 8 avec addition de dolomie en une quantité de 22% de la masse du kaolin (exemples 4 et 6) 8 avec addition de dolomie en une quantité de 25% de la masse du kaolin (exemples 2 et 3) 9. La durée d'un cycle de filtration pour la matière filtrante granulée obtenue selon le certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 1 152 650 est de 5 heures. Dans le cas d'une filtration d'eau de rivière à travers la matière filtrante granulée obtenue selon le certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N I 033 179,.le filtrat n'a pas répondu aux exigences imposées à la qualité de l'eau potable tout au long de la filtration. Le tableau 2 démontre que la durée d'un cycle de filtration de la matière filtrante obtenue selon le procédé proposé est de 1,6 à 1,8 fois supérieure à celle de la matière filtrante obtenue selon le certificat d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 1 152 650. En outre, il ressort du tableau 2 que la matière filtrante obtenue selon le procédé proposé débarrasse l'eau naturelle à partir des particules en suspension d'une façon plus efficace que les matières filtrantes obtenues selon les certificats d'Auteur d'invention d'U.R.S.S. N 1 152 650 et 1'033 179. Le procédé selon l'invention permet donc d'obtenir une matière filtrante granulée douée d'un fort pouvoir d'adsorption vis-à-vis des substances d'humus et des particules en suspension, et présentant un cycle de filtration prolongé. La matière filtrante selon l'invention 2.610533 épure efficacement les eaux naturelles sans devoir y ajouter un coagulant, ce qui exclut le risque de rendre toxique l'eau potable qui résulte de l'épuration. Tout ce qui précède permet d'accroître sensible- ment l'efficacité de fonctionnement des ouvrages de filtration dont la fonction est de clarifier les eaux naturelles pour en obtenir une eau potable de haute qualité. R E V E N D I C A T I ON Procédé d'obtention d'une matière filtrante granulée pour l'épuration des eaux naturelles, consistant à granuler, dans un lit fluidisé, une suspension aqueuse de kaolin additionné d'un produit naturel en poudre à base de carbonates de calcium et de magnésium, la granulation étant suivie d'une cuisson des granules ainsi obtenus à une température de 900 à 950 C, caractérisé en ce qu'en tant que produit en poudre, on utilise de la dolomie en une quantité de 20 à 25% du poids du kaolin.