Brevet FR2656295A1 — publié le 19910628

La présente invention a trait au domaine de l'adoucissement des eaux par décarbonatation, notamment dans le cas des eaux potables Elle concerne plus spéciale- ment une technologie particulière de réacteur qui, incorporé dans une chaine de traitement d'eaux ou utilisé seul, permet d'assurer, par un volume relativement faible, une décarbona- tation totale ou partielle de l'eau. On sait que l'adoucissement de l'eau et la dé- carbonatation qui en résulte, par élimination du carbonate de calcium (Ca CO 3) et de la magnésie (Mg (OH)2), sont géné- ralement assurés soit par échange d'ions avec une résine sodique soit par ajout à l'eau à traiter d'un réactif basi- que provoquant une précipitation des carbonates et de la ma- gnésie qu'il faut ensuite filtrer Les réactions mises en jeu, soit avec l'hydroxyde de sodium soit avec la chaux hy- dratée, peuvent s'écrire: Ca (HCO 3)2 + 2 Na OH > Ca C 03 + Na 2 C 03 + 2 H 20 Ca (HC 03)2 + Ca(OH)2 > 2 Ca C 03 + 2 H 20 Le but est évidemment de faire chuter la dureté de l'eau c'est-à-dire de son titre Hydrométrique (TH) souvent très élevé et pouvant atteindre 50 degrés ou plus, de façon à ramener ce TH a des valeurs avantageusement comprises entre 8 et 15 comme le recommande, par exemple, le Conseil Supé- rieur d'Hygiène Publique de France (CS HPF). Le procédé le plus recommandé actuellement, semble-t-il, pour assurer industriellement la décarbonata- tion, par exemple des eaux potables, consiste à incorporer dans la station de traitement un réacteur o l'eau brute, injectée à la base, est traitée par un agent alcalin du type précité au sein d'un matériau granuleux fin servant de germe de cristallisation pour la formation de billes de carbonate de calciumet maintenu en fluidisation dans la masse liquide. Un tel procédé, communément appelé "décarbo- natation catalytique", présente des avantages évidents par rapport à la simple précipitation de carbonates par ajout de réactifs chimiques puis décantation et notamment: une vitesse de réaction plus rapide; une précipitation à un p H inférieur; une élimination du carbonate sous forme de billes dures faciles à manipuler et éventuellement utilisa- bles dans d'autres buts; l'emploi d'une vitesse hydraulique plus importante qu'avec des décanteurs, vu la décantation très aisée desdites billes; la possibilité d'éliminer en outre certains composants de l'eau brute qui s'incorporent souvent dans les cristaux de Ca CO 3, comme p-a-r exemple le fer, le manganèse et de petites quantités de matières organiques. L'exploitation, encore rare, de ce processus dans un réacteur de décarbonatation catalytique se heurte cependant à un certain nombre de difficultés ou inconvénients. En effet, les réacteurs connus ou proposés jusqu'à ce jour sont conçus pour travailler sur de grandes hauteurs,d'au moins 5 mètres et plus généralement de 8 à 9 mètres ou par- fois plus encore Par ailleurs les vitesses de transit doi- vent généralement être limitées à 20-40 m/h pour obtenir un tauxdedécarbonatation acceptable De plus, l'exploitation du dispositif est malaisée vu le fréquent dépôt de carbonate de calcium en zone basse du réacteur et/ou le début de prise en masse du matériau sur les parbis Enfin, l'extraction des billes de matériau support enrobé de carbonate ainsi que le choix du moment d'extraction et l'usure rapide par abrasion des organes mécaniques dans le circuit d'extraction, rendent l'exploitation du procédé difficile et coûteuse. Le but essentiel de l'invention est de propo- ser un procédé et, plus particulièrement, un réacteur de dé- carbonatation catalytique, selon le principetappelé ci-des- sus, qui permette de supprimer ou d'atténuer considérable- ment les inconvénients précités et, tout spécialement, dont la hauteur peut être réduite à seulement 2 à 4 mètres environ, avec d'excellentes performances. Conformément à la caractéristique essentielle de l'invention, le réacteur est muni d'une part, dans sa par- tie inférieure, d'une série d'injecteurs plats constitués par deux grilles perforées comportant chacune une face de dents triangulaires et disposées tête-bêche, par lesquelles l'eau est injectée et, d'autre part, dans sa partie supérieure, d'un prolongement comprenant une série de lamelles inclinées faisant un angle de 55 à 65 degrés avec l'axe vertical du réacteur. L'utilisation de ces injecteurs plats pour le passage de l'eau brute à traiter permet d'envisager de très grandes vitesses d'entrée du liquide dans le réacteur, par exemple entre 1000 et 4000 m/h (soit 0,3 à 1,10 m/s). Ces éléments empêchent les dépôts des carbonates: encastrés dans la paroi plancher servant de crépine, ils ne présentent aucun épaulement ou arête vive en relief susceptibles d'être abrasés par les tourbillons d'eau et de matériau en suspen- sion En pratique, 1 'écartement moyen entre les perforations des deux grilles est _ avantageusement compris entre 0,1 et 0,6 mm et le nombre d'injecteurs plats, qui est va- riable selon la vitesse de transfert souhaitée, se situe le plus souvent entre 30 et 60 par m 2 de section du fond du réacteur. Par ailleurs, l'adoption d'un réacteur dont le prolongement ést muni de lamelles inclinées, présente une série d'avantages En effet, ces lamelles permettent d'abaisser fortement la vitesse de Hazen et favorisent, mê- me avec de grandes vitesses de passage de l'eau, la densifi- cation des billes dans la partie verticale du réacteur en améliorant ainsi le contact eau-billes L'expansion du lit de matériau granulaire est donc limitée pour une vitesse donnée et le brassage des billes est favorisé Du même coup on maitrise mieux les variations d'expansion du lit fluidisé, liées à la viscosité de l'eau, laquelle dépend de la tempéra- ture Et, bien entendu, la présence de cette partie en lamelles inclinées permet d'abaisser la hauteur totale du réacteur à 4, voire 3 mètres, par exemple, au lieu des 8 à 9 mètres ou plus de la technique connue En pratique, les lamelles peu- vent avoir un espacement entre elles de 5 à 50 centimètres environ et elles sont disposées avantageusement sur toute la section du réacteur, selon un angle de 55 à 65 degrés - L'invention sera mieux comprise par la des- cription détaillée d'un mode de réalisation, non limitatif, illustré sur les dessins de la planche annexée, qui repré- sentent: Figure 1; une vue générale schématique, en coupe, d'un type de réacteur conforme à l'invention Figure 2: une vue, en projection sur le plan horizon- tal, d'un plancher à crépine muni de ses sé- ries d'injecteurs plats pour l'éau à traiter Figure 3: une vue détaillée, en coupe, d'un système à injecteurs plats selon l'invention. Tel qu'illustré sur la figure 1, le réacteur circulaire de décarbonatation 1 a une hauteur d'environ trois mètres dont 1,50 m pour la partie verticale la et sen- siblement la même longueur pour la partie coudée lb Il est réalisé par tronçons reliés entre eux par des plaques à joints 2 a, 2 b, 2 c, 2 d Il est en outre avantageusement muni de hublots de surveillance 3 a, 3 b, 3 c, 3 d ainsi que de di- vers systèmes de vannes à différents niveaux 4 a, 4 b, 4 c, 4 d, et 4 e pour prélèvement, contrôle et analyse des flux. La partie inférieure du réacteur est remplie d'un matériau inerte 5, granuleux, à fines particules de diamètre moyen généralement compris entre 0,1 et 0,6 mm Ce matériau est généralement constitué par du sable mais on peut mettre enoeuvre d'autres produits équivalents tels que de la poudre de calcaire, de la brique pilée ou autres. Grâce à la présente des lamelles inclinées à la partie su- périeure du réacteur, on peut aussi utiliser des matériaux plus légers que le sable tels que: schiste, pierre ponce, anthracite, chamotte,etc Conformément à une caractéristique de l'in- vention, le plancher à crépines 6, dans lequel s'effectue le passage de l'eau ascendante à traiter et qui sert de mo- yen de retenue du lit 5 de matériau granuleux, comporte une série d'injecteurs 7 a, 7 b, 7 c etc, comme indiqué sur les figures 2 et 3, dont chacun, comme par exemple 7 a sur la figure 3, fixé sur la planche 6 par des moyens appropriés 8, est constitué par deux plaques perforées 9 et -l dont une face comporte une structure à dents triangulaires 11 et qui sont disposées tête-bèche, l'ensemble constituant une double grille résistant à l'abrasion et empêchant les dépôts de carbonate de calcium. Selon une autre caractéristique es- sentielle du réacteur, ce dernier est garni dans sa partie supérieure de plaques lamell&ires 12,13,14 inclinées entre et 65 degrés et généralement à 60 degrés environ; es- pacées entre elles de cinq à cinquantecentimêtres qui permet- tent de limiter l'expansion du lit en jouant le rôle de dé- canteur arrêtant et concentrant le matériau granuleux. Le réacteur 1 est en outre muni, au niveau de la partie inférieure du lit 5, d'un système 15 - explicité plus loin servant à l'extraction séquentielle des billes de matériau granuleux chargé en Ca CO 3, avec syn- chronisation d 'une injection d'eau pressurisée. Le fonctionnement du réacteur tel qu' illustré schématiquement sur la figure 1 peut être décrit comme suit: l'eau brute à traiter est envoyée par la cana- lisation 16 dans le faux fond 17 du réacteur et débouche dans le réacteur avec répartition à grande vitesse (jusqu'à 2 à 3000 m/h ou plus) par les injecteurs plats du plancher 6. L'agent alcalin est introduit au droit d'éjecteurs 18 dispo- sés avantageusement juste au-dessus du plancher 6, par exem- ple à une distance de un à dix centimètres Dès son mélan- ge avec l'eau, l'agent alcalin est rapidement dilué et le flux permet d'expanser et de maintenir à l'état fluidisé les grains du lit 5 La réaction chimique avec précipita- tion de carbonate de calcium se produit immédiatement et les grains en turbulence se recouvrent de carbonate et gros- sissent L'eau traitée passe ensuite dans le dispositif lb à lamelles inclinées et sort, décarbonatée partiellement ou totalement, par la surverse 19 On peut, si nécessaire, ré- duire partiellement les teneurs en sulfate de calcium et de magnésium (dureté de l'eau dite "permanente") en ajoutant à l'agent alcalin de base (chaux ou hydroxyde de sodium) du carbonate de sodium, le mélange d'agent alcalin et de car- bonate de sodium pouvant également se faire hors du réacteur. Lorsque les billes du lit 5, recou- vertes de Ca C 03 deviennent trop volumineuses, elles sont extraites par le système 15 Pour cela on ouvre les vannes a et 15 b pendant quelques dizaines de secondes pour éva- cuer des billes du lit fluidisé 5 puis on ouvre la vanne 15 c par laquelle on introduit sous pression de l'eau traitée pen- dant quelques secondes Cette eau repousse vers le réacteur la brièvement les grains se trouvant dans la branche 15, ce qui permet la manoeuvre de fermeture des vannes 15 b et i 5 a en l'absence de matériau granuleux On évite ainsi l'effet d'abrasion de ce matériau sur les moyens de fermeture des vannes et augmente la durée de vie de ces dernières. L'extraction des grains devenus trop gros peut être effectuée séquentiellement ou en continu, à faible débit sur de gros réacteurs L'automaticité peut être pro- grammée par une simple horloge Si les variations de qualité de l'eau sont trop importantes, l'extraction des gros grains et le rechargement de matériau neuf peuvent être commandés par une sonde disposée en partie haute du réacteur Dans ce cas, il est avantageux que l'injection de l'agent (ou réac- tif) alcalin soit asservie à un paramètre lié à la minérali- sation de l'eau, tel que résistivité, TH calcique, TH total (calcium et Magnésium) ou encore TAC (titre alcalimttrique total). Grâce à la présence des lamelles inclinées dans la partie haute lbdu réacteur, le lit fluidisé 5 se con- centre et reste dans la partie la et l'on peut ainsi tra- vailler avec des réacteurs de quelques mètres seulement de hauteur. On donnera ci-dessous les résultats obtenus par traitement d'eauà adoucir dans un réacteur circulaire d'environ trois mètres de hauteur au total, dont 1,80 m pour la partie inclinée lb, de section: 0,5 m 2 avec une hauteur de lit, en statique, d'environ 0,60 mètres. et de grains de diamètre moyen 0,6 mm L'expansion des grains, en fluidisation, s'effectuait sur une hauteur d'environ 1,20 à 1,30 mètres L'eau à traiter était introduite à une vites- se de 140 m/h par la canalisation 16 et l'on trouvera dans le tableau 1 ci-dessous les résultats des analyses effectuées sur des prélèvements à différents niveaux du réacteur, à savoir (voir figure 1) en 4 a, en 4 c et à la sortie:surverse 19: 7 X 2656295 Tableau 1 Paramètres Eau à traiter Position 4 a Position 4 c sortie mesurés (en 16) (en 19) à______ _ ______ _ ______ _ _ __ _,_ p H 7,7 8,3 8,1 8,1 Turbidité NTU 0,2 0,4 0,25 0,3 TAC 24,6 19,2 18,4 18,4 TH calcique 27 12 10,5 10,5 TH Total 31 17,5 16 15 On notera, d'après ces résultats, que l'eau est quasiment décarbonatée au niveau même du lit fluidisé (posi- tion 4 a), ceci grâce à la présence des lamelles inclinées (en position lb) qui assurent une densification du lit fluidisé malgré la très grande vitesse de passage dans l'eau dans le réacteur Ce dernier peut donc être prévu avec un volume beau- coup moins important que les réacteurs connus La forte vites- se, qui assure une dispersion puis un mélange quasi-instantané du réactif alcalin avec le lit granuleux, est obtenutgrâce aux injecteurs plats de l'invention. Comme l'indique la figure 3 des dessins annexés, la base des triangles 11, dont sont muniesles plaques 9, 10, est orientée vers l'extérieur de la grille. Conformément à une variante, la technique selon l'invention peut être appliquée également à la précipitation des métaux lourds (plomb, mercure etc) dans les eaux indus- trielles ainsi qu'à celle des phosphates dans les eaux usées. Les grains recouverts de carbonate de Ca servent de support de fixation du phosphore et des métaux lourds et le procédé peut donc être orienté, si besoin est, sur l'élimination de ces éléments. -R E V E N D I C A T I 0 N S- 1 Réacteur ( 1) pour la décarbonation de l'eau, dans lequel l'eau brute, injectée à la base, est traitée par un agent alcalin du type chaux hydratée ou hydroxyde de sodium au sein d'un matériau granuleux fin servant de germe de cristallisation pour la formation de billes de carbonate de calcium et maintenu en fluidisation dans la masse liquide, CARACTERISE en ce qu'il est muni d'une part, dans sa partie inférieure, d'une série d'injecteurs plats ( 7 a) consti- tués par deux grilles perforées ( 9,10) comportant chacune une face à dents triangulaires ( 11) et disposées tête-bêche, par lesquelles l'eau est injectée et, d'autre part, dans sa partie supérieure, d'un prolongement ( 1 b) muni de séries de lamelles inclinées ( 12 14) faisant un angle de 55 à 65 degrés avec l'axe vertical du réacteur. 2 Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce quel'écartementdes perforations des grilles est com-, pris entre 0,1 et 0,6 mm. 3 Réacteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que les séries de lamelles inclinées ( 12 14) qui prolongent le réacteur vertical, oc- cupent toute la section de ce réacteur et ont un espacement entre elles de 5 à 50 centimètres 4 Réacteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est conçu pour une hauteur totale maximum de 4 mètres, la longueur de la par- tie en amellesinclinéesvariant de 0,4 à 2 mètres, le fonc- tionnement se faisant à pression atmosphérique ou sous pression. Réacteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau granuleux fin ( 5) a un diamètre moyen compris entre 0,1 et 0, 6 cm et est choisi dans le groupe: sable, poudre de calcaire, bri- que pilée ou parmi les produits inertes plus légers dont shistes, pierre ponce, anthracite, chamotte et analogues. 6 Réacteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est en outre muni dans sa partie inférieure ou médiane de vannes automatiques ( 15 a, 15 b) pour l'évacuation séquentielle des billes de ma- tériau granuleux chargées en carbonate, la manoeuvre de fermeture des vannes étant synchronisée avec une injection d'eau sous pression ( 15 c) 7 Réacteur selon l'une quelconque des'revendica- tions I à 6, caractérisé en ce que l'agent alcalin est choi- si dans le groupe: chaux hydratée, hydroxyde de sodium, carbonate de sodium ou mélanges de ces produits. 8 Réacteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que le processus de décarbo- natation mis en oeuvre est appliqué à la précipitation, sur ledit matériau granuleux, des métaux lourds dans le cas des eaux industrielles et à l'élimination des phosphates dans les eaux usées.