Brevet FR2631021A1 — publié le 19891110

L'invention a trait au domaine des eaux usées de tous types à épurer ainsi qu'à celui des eaux de surface à clarifier. Elle concerne plus spécialement les phases de coagulation ou floculation mises en oeuvre dans de tels traitements. On sait que la floculation est le procédé physico-chimique de clarification de l'eau consistant à introduire dans cette dernière des réactifs qui provoquent la coagulation des particules colloîdales d'impur retés en les agglutinant sous forme de flocs pour donne ensuite des amas volumineux et lourds prompts à se déposer lors des phases ultérieures de décantation et filtration/flottation de l'eau.Plus précisément le réactif coagulant s'hydrolyse et précipite en constituant des particules discrètes de structure dépendant de la physico-chimie de la solution et de surface spécifique très importante, souvent de l'ordre de 1 000 m2/g ; celles-ci, dans la turbulence provoquée de la capacité d'eau à traiter, interréagis- sent avec les matières organiques et les matières en suspension présentes en neutralisant leur charge de surface pour les absorber en formant un microfloc, germe du futur floc ou amas visible. En pratique, selon les procédés connus à ce jour, la floculationcoagulation est faite en deux phases : tout d'abord une injection d'agent ou réactif coagulant dans une capacité de faible volume d'eau à traiter, munie d'un agitateur à grande vitesse,#avec un temps dé séjour bref de l'ordre de 1 à 1,5-minutes ; puis une phase d'agitation lente, avec brassage limité, dans une capacité ultérieure, pour favoriser le grossissement des flocs, ceci pendant un temps d'au moins 20 minutes. Dans une telle floculation classique, on distingue : un premier stade de dispersion rapide du coagulant dans l'eau, ou l'apport de l'éner- gie d'agitation pour la dispersion n'a pas encore d'effet sur les colloldes de l'eau qui, par leurs dimensions inférieures ou voisines de 1 micron, ne sont soumis qu'à l'agitation thermique du mouvement brownien ; puis un deuxième stade ou les micelles formées grossissent rapidement, du fait de l'agitation lente, et changent de dimension pour atteindre très vite plusieurs centaines de microns. Les microflocs formés se transforment progressivement en gros flocs à structure lâche qui devront être ensuite transportés dans l'eau à vitesse réduite pour éviter leur rupture avant la décantation ou filtration. L'analyse des phénomènes résumés ci-dessus montre que le changement rapide d'échelle des micelles formees (du micron à quelques centaines de microns) empêche tout effet de charge multiplicateur de contacts utiles entre colloïdes restant en suspension dans l'eau et encore à absorber. On conçoit de ce fait l'importance fondamentale des turbulences et de leur qualité pour permettre : la multip?ication des collisions efficaces entre les colloldes à décharger porteurs de charges négatives, et les particules générées, à charges positives ; puis, au fur et à mesure de l'annulation des forces-de répulsion électrostatiques entre colloïdes au profit des forces de cohésion ou attraction (forces dites de Van der Waals), la formation de micelles ou granules de quelques dizaines de microns. Constatant que, dans la floculation conventionnelle, les quantités de réactifs injectés ne sont pas utilisées totalement, l'invention a précisément pour but d'optimiser cette opération de floculation en cherchant à provoquer dans tout le volume de la capacité à traiter, sous agitation rapide, le maximum de collisions entre les colloides résultant de l'hydrolyse de l'agent coagulant et les particules d'impuretés à absorber. Un autre but, visé par l'invention, consiste à économiser la dose habituellement utilisee de réactif coagulant, déterminée à l'avance -comme on le sait- suivant le type d'eau à traiter par la méthode du Jar-test (ou autre), ainsi qu'à réduire la période totale de temps nécessaire à une parfaite floculation. Conformément aux caractéristiques principales du procédé de l'invention, on injecte le coagulant selon une dose inférieure d'au moins 30 % à la dose normale prédétérminée, dans au moins deux capacités de contact disposes en série et munies chacune d'un agitateur rapide générant des microturbulences à vitesse périphérque de 0,8 à 3 m/s. L'étape ultérieure d'agitation lente ou semi-rapide en capacité séparée, selon la méthode classique, est effectuée ensuite en temps réduit d'au moins 50 % par rapport à la période normale. Ainsi, l'invention vi-se, tout en réduisant notablement la quantité de réactif coagulant, à augmenter la durée -grâce à des capacités ou réacteurs en série- de la période cruciale d'adsorption tant que la surface disponible est grande, le nombre de particules important et que la probabilité de capture de la pollution est donc maximale. Cette probabilité de capture est bien sûr d'autant plus grande que les turbulences crées, se rapprochant de la dimension des particules présentes, augmenteront le nombre de chocs utiles. Pour ce faire-, conformé- ment à l'invention, on utilise dans lesdites capacités ou s'effectuent l'injection de coagulant puis la coagulation, des mobiles ou agitateurs spécialement conçus pour générer par rotation des turbulences de très courtes longueurs. Ces mobiles, de type connu sous l'appellation "à pales minces" ou "sabre", sont caractérisés ici en ce que les pales minces sont munies, de préférence sur leur bord de fuite, d'un peigne à fine dentelure dont les dents sout à nombre de Reynolds égal. Le nombre ainsi que la longueur et la hauteur des dents, lesquelles sont inégales d'une dent à l'autre, sont calculés de manière à générer en rotation, où leur vitesse périphérique est également inégale d'une dent à l'autre, des turbulences égales et de courte longueur. Ainsi, dans une fourchette de vitesses périphériques choisies, le nombre de Reynolds de chacune des dents est le même, quelle que soit la distance entre une dent et l'axe de rotation. En pratique la hauteur des fines dents, disposés préférentiel le- ment sur le bord de fuite de chaque pale, est decroissante depuis l'axe de rotation du mobile jusqu'à l'extrémité opDosée de la pale et les intervalles entre chaque- dent peuvent varier entre 1 et 10 mn, selon le choix de la vitesse angulaire du mobile. Selon une variante, l'espace interdents peut entre prévu ajustable, par exemple par glissement du peigne devant un masque. Chaque mobile ou agitateur peut comporter deux, trois, voir quatre pales minces disposées sur l'axe ou encore plusieurs mobiles peuvent être superposés en hauteur. Selon une autre variante, le peigne fixe ou ajustable, préférentiellement prévu sur le bord de fuite, peut aussi être fixé sur le bord d'attaque de chaque pale. Ainsi,avec le procédé, l'on conçoit bien l'amélioration que peut apporter une agitation capable d'assurer avec le même mobile une première fonction de pompage avec mise en mouvement de fluide. et une deuxième fonc tion de barrière de turbulences fines que les particules, transportées par le fluide, devront nécessairement traverser donc subir. Avantage non néqligeable du procédé : l'adjonction du pei#gne générateur de turbulences courtes, isotropiques, entraine pour les pales du mobile un coefficient de traînée nettement plus faible que lorsque les mêmes pales sont nues ; d'ou économie nette de puissance à débit de pompage égal, et ce bien sûr d'autant plus que les mobiles seront de diamètres importants. Avantageusement, pour les agitateurs mis en oeuvre, on doit avoir un rapport entre le diamèti des pales et la distance entre les parois latérales de ch#aque capacité, au moins égal à 0,7. Bien entendu, comme dit ci-dessus, plusieurs mobiles entraînés par un seul agitateur peuvent être superposés lorsqu'une ou plusieurs des capacités de réaction en série sont conçues avec une hauteur de dimension 1,5 à 2 fois (ou plus) plus importante que la distance entre parois lateraleç (ou diamètre lorsqu'il s'agit d'une cuve circulaire). D'une façon générale, peuvent servir de base au type d'agitation souhaitée, tous types de mbbiles ou agitateurs multipales pourvu que ces derniers aient une forme interdisant les phénomènes de cavitation de fluide et limitant au maximum l'accrochage des "filasses" ou amas de flocs. Les vitesses de rotation des agitateurs peuvent être commandées manuellement ou automatiquement de manière à maintenir à son optimum la qualité des turbulences secondaires de faible échelle par action sur les turbulences primaires, en fonction de la qualité phyico-chimique de l'eau à traiter et des résultats à obtenir. En pratique, les capacités de contact sont au moins au nombre de deux et de préférence trois, disposées en série et l'on maintient l'agitation rapide dans chacune pendant des temps variant entre 0,5 et 3 minutes, avantageusement autour de deux minutes dans chaque capacité. Les réactifs coagulants sont de type classique, par exemple sel de fer -comme le chlorure ferrique ou un sel d'alumine mais, comme dit ci-dessus, on diminue d'au moins 30 %, et avantageusement de 50 % environ, les doses normalement nécessaires telles que déterminées au préalable au Jar-test. Ainsi, on empêche la formation prématurée de flocs et on limite leur volume grâce à cette combinaison d'un sous-dosage du taux de coagulant et d'une qualité particulière d'agitation. Après cette phase de coagulation prolongée dans des capacités en série et sous turbulence optimum pour éviter les zones mortes et interdire les courts-circuits hydrauliques, on provoque, dans la capa cité ultérieure d'agitation lente ou semi-rapide, le grossissement des flocs par pontage entre eux puis la réticulation en une texture dense et grenue, où les inclusions d'eau sont réduites. Malgre le temps de grossissement réduit de moitié par rapport aux techniques conventionnel les, les flocs obtenus selon le procédé de l'invention ont une vitesse de décantation importante et ils peuvent être transportés sans ménage ment du floculateur au décanteur ultérieur et/ou flottateur. On peut avantageusement introduire, dans cette capacité à agitation lente ou semi-rapide, un floculant par exemple de type polymère synthétique, alginate, amidon ou autre adjuvant, notamment lorsqu'il s'agit de traiter une eau de surface. Dans le but de mieux faire comprendre-et d'illustrer l'intérêt du procédé selon l'invention, on résumera ci-dessous les résultats d'essais comparatifs de floculation entre la méthode classique connue mettant en oeuvre une cuve à agitation rapide (A.R.) puis une cuve d'agitation lente (A.L.) pour la floculation proprement dite et la technique de l'invention où l'on a utilise ici trois bacs (ou capacités) agités et de faible volume pour la première phase (A.R.) et un bac de dimension réduite A.L. pour la deuxième phase. Selon la première série d'exemples, on a travaillé sur une eau de surface à clarifier (ici une eau brute de la Seine) dans les conditions et avec les résultats consignés dans le tableau 1 ci-après Tableau 1 Taux coagulant Durée A.R.- Durée A.L. Durée Turbidité (ppm) (mm) (mm) totale eau après (mm) décantation Méthode 15 1 à 1,5 z 20 21-21,5 4 NTU classique -id- 25 1 à 1,5 20 21-21,5 1,8 TU invention 15 6 6 12 1,8 NTU ppm = parties par million mn = minute N.T.U. = Nephelometry Turbidity Unit La dose nécessaire de coagulant, telle que définie au "jar-test", pour obtenir une turbidité donnée (ici 1,8 NTU) étant de 25 ppm, on peut constater d'après le tableau ci-dessus qu'en diminuant la dose à 15 ppm, selon le travail en méthode classique, on obtient une turbidité de l'eau plus de deux fois plus importante que la norme désirée. En travaillant selon l'invention, avec cette même dose réduite de 15 ppm mais avec une première phase de coagulation prolongée (6 mn au lieu de 1,5) et une deuxième phase de temps réduit (6 mm au lieu de 21) on obtient le résultat désiré de 1,8 NTU pour la turbidité. /le pr notera par ailleurs qu'outre une économie de réaction coa- gulantvselon l'invention permet de diminuer notablement le volume total de l'ouvrage de conditionnement par coagulat on-floculation : ce volume est en effet proportionnel au temps de séjour de l'eau dans les capacités de conditionnement soit deux fois trois minutes sous agitation rapide et six minutes sous agitation semi-rapide dont douze minutes environ selon l'invention (pour une à deux minutes. d'agitation rapide et environ 20 minutes d'agitation lente en floculation conventionnelle). Selon une deuxième série d'essais comparatifs, on a opéré cette fois-ci sur une eau usée (ici une eau urbaine d'égoùts) selon les coordonnées résumées dans le tableau 2 ci-apres Tableau 2 Taux coagulant Durée A.R. Durée A.L. Durée Turbidité (ppm) (mm) (mm) totale eau après (mm) décantation Méthode classique 150 1 à 1,5 20 21 à 21,5 18 à 20 Invention 70 6 4 10 18 à 20 MES =matières en suspension Le taux de coagulant normalement nécessaire (mesuré au jar-test) était ici de 150 ppm et l'on peut voir, d'après ces résultats, que le procédé de l'invention a permis de réduire de plus de moitié la quantité de coagulant pour l'obtention des mènes résultats souhaités en eau décantée (quantite de MES) ; ceci toujours avec la mène économie en investissements du fait de la diminution de volume des capacités de traitement. Enfin, le tableau ci-apres montre l'économie de puissance que permet l'adjonction au mobile d'un dispositif à peigne selon l'invention, à qualité d'eau obtenue égale, après décantation 10 mm (mesurée par analyses des MES et turbidité residuelle) Exemple : essais en dynamique avec débit d'eau à traiter = 5 m3/h Vitesses périphérique Tours/s Couple Puissance du mobile m/s Newton/m dissipée dans l'eau Avec dispositif 1,2 1,09 0,53 3,64 W Sans dispositif 2,0 1,48 1,48 16,9 W REVENDICATIONS 1. Procédé de floculation d'eaux de surface ou d'eaux usées du type consistant, avant les phases de decantation, flottation et/ou filtration, à injecter dans une première capacité d'eau à traiter le réactif coagulant en dose prédéterminée sous agitation rapide puis à laisser coaguler les particules colloîdales sous agitation lente, dans une deuxieme capacité, le procédé. étant CARACTERISE en ce que : a) l'injection du coagulant est faite avec une quantité de produit inferieure d'au moins 30 % à la dose convenable classiquement déterminée, dans au moins deux capacités de contact disposées en série munies d'un agitateur rapide à vitesse périphérique de 0,8 à 3m/s ; b) l'étape d'agitation lente ou semi-rapide dans une capacité ultérieure est effectuée en un temps réduit d'au moins 50 % par rapport à la période habituelle des procédés conventionnels ; c) les deux étapes d'agitation sont assurées chacune par un mobile (ou agitateur) à pales minces muni d'un peigne dont les dents sont à nombre de Reynolds égal. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un agitateur dont le rapport entre le diamètre des pales et la distance entre les parois latérales de chaque capacité est au moins égal à 0,7. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les dimensions des dents du peigne, disposées sur chaque pale, sont décroissantes depuis l'axe de rotation du mobile jusqu'à l'extrémité opposée de la pale, les intervalles entre les dents variant de 1 à 10 mm selon le choix de la vitesse# angulaire du mobile. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit peigne est disposé sur le bord de fuite de chaque pale. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit peigne est disposé sur le bord d'attaque de chaque pale. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque mobile (ou agitateur) comporte deux à quatre pales, plusieurs mobiles pouvant en outre être superposés en hauteur dans chacune desdites capacités. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le temps de séjour dans chacune des capacités a agitation rapide est comprise entre 0,5 et 3 minutés. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre trois capacités en série d'agitation rapide avec des temps de séjour d'environ deux minutes dans chacune. 9. Procède selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'agitation lente dans la capacité ultérieure de coagulation est limitée à six minutes. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la durée totale du traitement, diminuée d'environ ou au moins 50 % par rapport au traitement conventionnel, est de l'ordre de 10 a 12 minutes seulement. 11. Procédé selon l'une quelconque de la revendication 1 à 9 caractérisé en ce que l'on ajoute dans ladite première capacité un agent floculant du type polymère, al#t#ate, amidon ou équivalent.