Brevet FR2757078A1 — publié le 19980619

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif pour purifier les eaux faiblement chargées contenant en suspension des particules minérales et/ou de matière organiques et/ou des hydrocarbures et/ou des micro- organismes. Elle trouve son application dans toutes les industries consommatrices d'eau et notamment les industries de production et de traitement du pétrole brut, les industries chimiques, pétrochimiques, papetière et agro- alimentaires. Elle trouve également son application pour la purification des eaux de rivières, de lagunes, de nappes phréatiques et des eaux de mer. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Un dispositif de filtration est décrit dans le brevet US 3,791,527. Ce dispositif comporte, un filtre à tambour rotatif, perforé placé dans un réservoir contenant une suspension à filtrer, une feuille de papier filtrant renouvelée continûment, enroulée partiellement autour du tambour. De plus une toile plastique sans fin est disposée entre cette feuille et la surface du tambour perforé. L'intérieur du tambour est maintenu en dépression, ce qui a pour effet d'aspirer le liquide à travers les perforations du tambour. Les particules venant se déposer à la surface du papier. Avec ce dispositif la vitesse de passage du liquide est faible et le papier se colmate très rapidement, ce qui conduit à utiliser une surface de papier importante pour traiter une quantité de liquide à filtrer donnée dans un temps donné. Le papier présente une résistance mécanique faible, notamment lorsqu'il est humide, ce qui limite les possibilités de traction pour assurer son déroulement continu dans les filtres à défilement de l'élément de filtration. Le papier constitué essentiellement par des fibres naturelles ou synthétiques présente des capacités d'absorption faibles et des caractéristiques qui ne sont pas adaptées à la filtration d'une large gamme de suspensions. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention a justement pour objet de remédier à ces inconvénients, et de fournir un dispositif pour purifier notamment les eaux faiblement chargées contenant en suspension des particules minérales et/ou des matières organiques et/ou des hydrocarbures et/ou des micro- organismes par exemple des virus, des microbes, des bactéries, des algues, des levures, du plancton. D'une façon générale le dispositif de l'invention est particulièrement bien adapté pour purifier des eaux contenant moins de 100 mg/litre de matières et/ou micro- organismes en suspension. Grâce au dispositif de l'invention cette quantité est ramenée à moins de 3 mg/litre, dans l'eau obtenue après purification. De plus la vitesse de passage de l'eau dans le dispositif est élevée, la vitesse de colmatage est faible et les capacités d'absorption des matières liquides organiques sont très importantes. Le dispositif de l'invention trouve son application notamment dans les raffineries de pétrole et les plates- formes de production de pétrole pour la purification des eaux usées en vue de leur recyclage qui implique l'usage d'eau de grande pureté, de façon à protéger les équipements vis-à-vis de la corrosion ou de l'usure anormale. Pour les plates-formes de production de pétrole le recyclage des eaux de gisement exige une qualité d'eau pure dont la taille limite des matières en suspension ne dépasse pas 2 microns. Pour les rejets dans le milieu naturel la teneur en hydrocarbures recherchée est la plus faible possible. Des caractéristiques semblables sont exigées dans la plupart des industries. A cette fin la présente invention propose un dispositif de purification d'eau faiblement chargée contenant en suspension des particules minérales et /ou de matières organiques et/ou des hydrocarbures et/ou des micro- organismes, et comportant une grille, supportant une toile sur laquelle est disposé un élément de filtration, des moyens de mise en contact de l'eau faiblement chargée avec l'élément de filtration pour qu'elle traverse ledit élément de filtration et des moyens de réception de l'eau après passage au travers dudit élément de filtration caractérisé en ce que ledit élément de filtration est constitué d'au moins une feuille à base de fibres, chargée en poudres organiques et /ou minérales. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de filtration est constitué de trois feuilles de filtration superposées, respectivement première, deuxième et troisième dont la première en contact avec la toile de filtration est chargée avec une poudre ayant une granulométrie comprise entre 1 et 5 microns, la deuxième avec une poudre ayant une granulométrie comprise entre 5 et 30 microns et la troisième avec une poudre ayant une granulométrie comprise entre 50 et 150 microns. Selon une autre caractéristique de l'invention au moins une feuille à base de fibres est chargée en poudres organiques et/ou minérales ayant une granulométrie comprise entre 1 et 150 microns. Selon une autre caractéristique de l'invention, la feuille à base de fibres est composée de 50 à 70 % de cellulose, de 10 à 20 % de fibres synthétiques et d'au moins un liant. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de filtration contient en outre des résines qui améliorent sa résistance mécanique, à l'état humide. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de filtration a subi préalablement un traitement pour le rendre oléophile. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de filtration a subi préalablement un traitement de sulfinisation pour le rendre oléophobe. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de filtration a subi préalablement un traitement pour le rendre ignifuge. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de filtration a subi préalablement un traitement avec un acide ayant servi dans une unité d'alkylation d'hydrocarbures. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de filtration contient en outre des fibrilles qui améliorent sa résistance mécanique. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de filtration contient en outre au moins une poudre conductrice de l'électricité, pour faciliter l'élimination des charges d'électricité statique. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de purification d'eau faiblement chargée. - la figure 2 représente schématiquement un mode particulier de réalisation du dispositif de l'invention comportant un tambour rotatif. EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION Parmi les eaux qui sont récupérées dans les usines consommatrices d'eau ou les installations de traitement d'eaux ou dans le milieu naturel, on peut citer les eaux de gisements, les eaux de production, les eaux issues de dessalage, les eaux usées de plates-formes habitées, les eaux de mer et de lagunes, les eaux des bassins d'orage, les eaux pluviales, les eaux des cours d'eau chargées, les eaux brutes des villes après dégrillage, les eaux chargées des bassins biologiques et des effluents de bassins des usines de traitement d'eau, les rejets des industries textiles, papetières, chimiques, agro-alimentaires (abattoirs, laiteries, conserveries), les eaux contenant des fluides d'usinages. Toutes ces eaux ont en commun une faible teneur en particules dont certaines ont une granulométrie très faible comprise entre 0,1 et 20 microns. L'objectif de l'invention est de disposer d'une eau dont la teneur en matières en suspension est inférieure à 3 mg par litre, le diamètre des particules étant inférieur à 2 microns et dont la teneur en matières organiques est inférieure à 0,1 mg par litre pour des débits de l'ordre de 40 000 m3 par jour dans une papeterie et d'environ 15 000 m3 par jour dans une raffinerie de pétrole En outre ces eaux peuvent contenir des matières qui présentent des propriétés colmatantes et/ou une consistance semi-pâteuse. C'est le cas par exemple des eaux contenant des micro-organismes tels que du plancton, des levures, des algues dont les dimensions sont comprises entre 1 et 100 microns. Ces eaux peuvent également contenir en suspension des micelles d'hydrocarbures qui se présentent sous forme de fines gouttes de 2 à 250 microns et notamment de 10 à microns. Ces gouttes peuvent également contenir des micelles d'eau. A cette fin le dispositif de l'invention, selon le mode particulier de réalisation représenté schématiquement figure 2 comporte: - Un bassin 4 contenant une eau faiblement chargée à purifier - des moyens 6 d'alimentation en eau du bassin 4 - un tambour 1 perforé, rotatif en résine époxy - une toile 2 en fibres de polyester recouvrant la paroi extérieure du tambour 1 - un élément 3 de filtration constitué d'une feuille à base de fibres, chargée en poudre organique et/ou minérale - un rouleau 9 d'alimentation en élément 3 de filtration - un rouleau 10 de récupération de l'élément 3 de filtration chargé de matières en suspension dans l'eau à purifier - des moyens 7 de récupération de l'eau ayant traversé l'élément de filtration 3. Le dispositif peut aussi comporter, non représenté des moyens de mise sous vide de la partie intérieure du tambour 1. L'eau faiblement chargée, contenant en suspension des particules minérales, par exemple des grains de silice, des matières organiques par exemple des graisses animales et/ou végétales, des hydrocarbures, des micro-organismes par exemple du plancton, des bactéries, des virus, des levures, des algues, arrive dans le bassin 4, par les moyens 6 d'alimentation qui peuvent comporter un dispositif de régulation du niveau d'eau dans le bassin 4. Sous l'effet d'une différence de pression entre l'intérieur du tambour 1 et la face extérieure de l'élément 3 de filtration, l'eau traverse l'élément de filtration sur lequel les matières en suspension sont retenues et l'eau purifiée s'écoule à l'intérieur du tambour d'o elle est évacuée par les moyens 7. Un des principaux avantages de l'invention est de pouvoir choisir la fibre cellulosique ou synthétique et la poudre de charge, les mieux adaptées aux matières en suspension dans l'eau qui présentent des caractéristiques extrêmement diverses selon l'origine de l'eau qui les contient. On pourra mieux apprécier cet avantage de l'invention à la lecture des exemples qui suivront. Un autre avantage de l'utilisation d'un élément 3 de filtration à base de fibres, chargé en poudre organiques et/ou minérales est l'amélioration des caractéristiques de l'élément de filtration. On trouvera ci-après à titre d'exemple non limitatif un tableau de comparaison des caractéristiques de feuilles de papiers chargées de matière végétale, avec celles d'un papier non chargé, fabriqué à partir de fibres de récupération. Références essais Variante 1 Variante 2 Variante 3 Unités 100 % VP 80 % VP 60 % VP % CV 40 % CV 150 Grammage g/m2 267 276 277 Epaisseur gm 373 481 528 Main(bouffant) Um3/g 1,4 1,7 1,9 A/V1 + 21,5 % + 35,5 % Absorption de la S 9 3,5 2 goutte d'eau(temps) A/V1 -60% -77 % Longueur de rupture m 5535 2365 1105 A/V1 -57 % - 80 % Indice d'éclatement kPa.m2/g 4,83 1,71 0,69 sec A/Vl -65 % - 86 % Indice d'éclatement kPa.m2/g 2,64 2,40 0,35 humide A/V1 - 50 % - 87 % Rapport humide/sec % 54,5 52 51 Capacité hydraulique débit eau à 25 C sous 600 mmHg m3/m2/h 0,9 5, 6 7 à 50 C sous 600 mmHg m3/m2/h 0,9 7 9,3 VP signifie vieux papiers CV 150 signifie charge végétale de granulométrie inférieure à 150 mm. V1 signifie variante 1 A signifie différence Le fait d'obtenir de telles caractéristiques de l'élément de filtration, fabriqué à partir de matériaux bon marché tel que du papier de récupération et une charge végétale rendent le dispositif de l'invention particulièrement économique. Comme on peut le voir sur le tableau ci-dessus le grammage du papier n'est pas affecté par l'adjonction de poudre végétale. Le bouffant du papier chargé, défini par le rapport entre l'épaisseur et le grammage est supérieur à celui du papier non chargé. La diminution de la valeur du paramètre qui caractérise l'absorption de la goutte d'eau montre que la charge en poudre organique rend le papier hydrophile. La longueur de rupture et l'indice de rupture se dégradent avec l'augmentation de la charge en poudre organique, tout en conservant des valeurs acceptables pour les applications envisagées. La capacité hydraulique qui caractérise la vitesse de passage du filtrat au travers du papier est très fortement augmentée par l'adjonction de poudre organique. Dans le cas du papier chargé avec 40% de poudre végétale la capacité hydraulique est dix fois supérieure à celle obtenue avec du papier non chargé. Un résultat aussi remarquable était inattendu La résistance mécanique de l'élément de filtration peut être améliorée en lui incorporant des résines, à base par exemple d'urée-formol, de mélamine formol ou d'épichlorhydrine. Cette caractéristique trouve tout son intérêt dans les dispositifs dans lesquels l'élément de filtration est soumis à une tension mécanique importante pour assurer son défilement continu. Grâce au dispositif de l'invention on peut adapter les caractéristiques de l'élément de filtration pour le rendre plus ou moins oléophile et/ou hydrophile et/ou ignifuge en lui faisant subir un traitement adapté. Par exemple un traitement à l'acide rend l'élément de filtration oléophobe c'est à dire résistant à l'eau et peu poreux. Cette caractéristique est encore améliorée si on utilise un acide ayant servi dans une unité de d'alkylation d'hydrocarbures, grâce aux hydrocarbures associés à l'acide proprement dit qui sont adsorbés par les poudres et les fibres. Selon une autre caractéristique du dispositif, l'élément de filtration contient, en plus des fibres et des poudres, des fibrilles qui ont pour effet d'améliorer sa flexibilité et sa compressibilité ainsi l'élément de filtration résiste mieux aux variations de pression et débit de l'eau à purifier. Les proportions respectives des fibres, poudres et fibrilles sont choisies expérimentalement pour obtenir les caractéristiques les mieux adaptées à l'eau à purifier. Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention l'élément de filtration contient une poudre conductrice de l'électricité, par exemple un sel métallique conducteur, qui permet d'éliminer l'électricité statique qui se forme par frottement au cours des opérations de sa manipulation, notamment dans les dispositifs o l'élément de filtration se présente en rouleaux. Cet aspect sécurité est particulièrement recherché dans les industries o des étincelles peuvent provoquer des explosions du fait de la présence de produits inflammables dans l'atmosphère. C'est le cas des eaux chargées en hydrocarbures. L'élimination des charges électriques statiques facilite aussi le déroulement des rouleaux d'élément de filtration. L'utilisation d'un élément de filtration chargé en poudre conductrice évite l'installation de moyens d'élimination des charges électriques statiques, comme par exemple des sabots et des balais conducteurs ou le mouillage à l'eau de l'élément de filtration à la sortie de la bobine et dans tous les cas la poudre est humidifiée avant son utilisation sur la machine. EXEMPLE 1 Le dispositif de l'invention est destiné à la purification d'une eau faiblement chargée qui est l'effluent ultime d'une papeterie. Après purification l'eau obtenue, constitue la charge d'une station biologique de traitement d'eau. L'eau à purifier présente les caractéristiques suivantes: - légère odeur nauséabonde - couleur grise densité voisine de 1 - viscosité à 40 C: 10 centipoises - teneur en matières solides en suspension environ lg par litre - dimensions des particules 3 à 100 gm - demande chimique en oxygène: 270 mg/litre demande biologique en oxygène: 76 mg/litre Le filtre utilisé dans cet exemple est un filtre à déroulement de papier, comprenant une grille transporteuse, un rouleau d'élément de filtration vierge de 90 cm de largeur, une bobine de récupération de l'élément de filtration chargé en impuretés, une pompe à vide et une pompe de reprise du filtrat. L'eau à purifier est introduite par la partie supérieure de cet ensemble. L'élément de filtration utilisé est un papier réalisé à partir de vieux papiers et chargé d'une poudre d'épicéa. Il comprend 70% de fibres récupérées et 30% de poudre ayant une granulométrie comprise entre 10 et 150 jm, ses caractéristiques sont les suivantes: - grammage: 200 g/m2 épaisseur: 500 1m - longueur de rupture: 1800 m - indice d'éclatement sec: 1,2 kPa.m2/g Les particules de matières cellulosiques et minérales en suspension dans l'eau à purifier se fixent sur le papier chargé. La couche ainsi formée reste poreuse. On peut traiter ainsi jusqu'à 3 m3 d'eau par heure et par m2 de papier chargé à une température d'environ 20 C,. Le filtrat obtenu est une eau incolore, limpide et sans odeur. La teneur en matières en suspension déterminée par méthode décrite dans la norme NFT 90202 est nulle. La demande chimique un oxygène est de 120 mg/litre, et la demande biologique en oxygène de 18 mg/litre. L'eau obtenue grâce au dispositif de l'invention est stable et présente toutes les qualités d'une eau recyclable. Dans notre exemple la papeterie produit annuellement 43 000 T de papier, et nécessite le traitement de 1 290 000 M3 d'eau par an. La consommation de papier chargé est de 50 m2/heure. La quantité de matières en suspension est d'environ 28 000 T/an. Le papier chargé est recyclé pour la fabrication de carton ou d'un papier chargé destiné à la purification d'eau. L'énergie électrique consommée est d'environ 1 kW.heure par mètre cube d'eau purifiée, d'o l'intérêt économique du dispositif du point de vue énergétique. EXEMPLE 2 Les eaux ayant servi au fonctionnement d'unités de traitement du pétrole brut, doivent satisfaire à des normes de rejet. Pour cela elles sont généralement traitées notamment dans des bassins biologiques qui ont pour objectif de réduire les charges biologiques, qui sont caractérisées par leur demande chimique en oxygène (DCO) et leur demande biologique en oxygène (DBO). Malgré ce traitement complété, par une opération de décantation l'eau ne peut être rejetée directement dans le milieu naturel. Elle doit être diluée avec d'autres effluents moins chargés mais la quantité de matière en suspension rejetée est toujours la même. Le dispositif de l'invention pour traiter cette eau comporte un filtre à bande, fonctionnant sous vide, avec un élément de filtration constitué par du papier chargé dont la composition est la suivante: - fibres cellulosique recyclées: 60 % poids - la poudre organique est de la poudre d'épicéa:39 % poids - l'additif est de l'épichlorhydrine: 1 % poids La granulométrie de la poudre d'épicéa est comprise entre 5 et 150 microns. Les caractéristiques du papier sont les suivantes: - grammage: 277 g/m2 épaisseur: 528 Im - bouffant: 1,9 um3/g - absorption de la goutte d'eau: 2 s - longueur de rupture: 1 105 m - indice d'éclatement à sec: 0,69 kPa.m2/g - indice d'éclatement humide: 0,35 kPa.m2/g - capacité hydraulique à 25 C: 7 m3/m2/h Le papier chargé se déroule et traverse plusieurs caissons à vide en se chargeant en matières en suspension et micropolluants. Le filtrat est clair, limpide et sans odeur. Le tableau ci-après indique les caractéristiques de l'eau à purifier, celles de l'eau obtenue au moyen du dispositif de l'invention et les rendements de purification. Caractéristiques de l'eau Rendements Avant Après de purification purification purification en % pH à 20 C 6,8 Demande chimique en 147 mg/l 107 mg/l 27 oxygene / Demande biochimique 40 mg/l 6 mg/l 85 en oxygène* Matières en 64 mg/l 4 mg/l 93 suspension totales Hydrocarbures 0,94 mg/kg vitesse de passage soit sensiblement modifiée. Le filtrat obtenu avec le dispositif de l'invention est une eau qui présente des caractéristiques acceptables pour être rejetées dans le milieu naturel. La consommation électrique est de 0,8 kW.heure par tonne d'eau purifiée. Pour une charge annuelle de 513 000 T d'eau ou récupère 480 000 T d'eau purifiée. La perte est donc de 33 000 T seulement. REVENDICATIONS 1- Dispositif de purification d'eau faiblement chargée contenant en suspension des particules minérales et/ou de matières organiques et /ou des hydrocarbures et/ou des micro-organismes, comportant une grille (1) qui supporte une toile (2) sur laquelle est disposé un élément (3) de filtration, des moyens (4) de mise en contact de l'eau faiblement chargée avec l'élément (3) de filtration pour qu'elle traverse ledit élément (3) de filtration et des moyens (5) de réception de l'eau après passage au travers dudit élément (3) de filtration caractérisé en ce que ledit élément (3) de filtration est constitué d'au moins une feuille à base de fibres, chargée en poudres organiques et/ou minérales. 2- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément (3) de filtration est constitué de trois feuilles de filtration superposées, respectivement première, deuxième et troisième dont la première en contact avec la toile de filtration est chargée avec une poudre ayant une granulométrie comprise entre 1 et 5 microns, la deuxième avec une poudre ayant une granulométrie comprise entre 50 et 100 microns et la troisième avec une poudre ayant une granulométrie comprise entre 50 et 150 microns. 3- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que au moins une feuille à base de fibres est chargée en poudres organiques et/ou minérales ayant une granulométrie comprise entre 1 et 150 microns. 4- Dispositif selon l'une des revendications 1,2 ou 3 caractérisé en ce que la feuille à base de fibres est composée de 50 à 70 % de cellulose, de 10 à 20 % de fibres synthétiques et d'au moins un liant. 5- Dispositif selon l'une des revendications 1,2,3 ou 4 caractérisé en ce que l'élément (3) de filtration contient en outre des résines qui améliorent sa résistance mécanique, à l'état humide. 6- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à caractérisé en ce que l'élément (3) de filtration a subi préalablement un traitement pour le rendre oléophile. 7- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à caractérisé en ce que l'élément (3) de filtration a subi préalablement un traitement de sulfurisation pour le rendre oléophobe. 8- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'élément (3) de filtration a subi préalablement un traitement pour le rendre ignifuge. 9- Dispositif selon, l'une des revendications 1 à 6 et 8 caractérisé en ce que l'élément (3) de filtration a subi préalablement un traitement avec un acide ayant servi dans une unité d'alkylation d'hydrocarbures. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que l'élément (3) de filtration contient en outre des fibrilles qui améliorent sa résistance mécanique. 11- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que l'élément (3) de filtration contient en outre au moins une poudre conductrice de l'électricité, pour faciliter l'élimination des charges d'électricité statique.