Brevet FR2773145A1 — publié le 19990702

La présente invention conceme un procédé de traitement physico-chimique d'effluents notamment d'eaux de surface destinées à la consommation. On sait que la mise en oeuvre de procédés physico-chimiques est commune à la plupart des traitements appliqués aux différents types d'eaux et que ces traitements consistent essentiellement en: - une clarification des eaux de surface pour la consommation ou pour les industries, - une clarification des eaux usées urbaines, pluviales ou industrielles, - une décarbonatation - une élimination des phosphates, etc. Ces types de traitements physico-chimiques comprennent toujours les étapes successives suivantes: - une coagulation : étape de neutralisation des colloïdes avec un sel métallique, composé trivalent du fer ou de l'aluminium en général, pour former un microfloc. Cette étape de coagulation peut être réalisée en une ou plusieurs étapes; - une floculation : étape d'agglomération et de croissance du microfloc. Cette étape d'agglomération s'effectue grâce à l'addition d'un polyélectrolyte (ou polymère), en aval de l'étape de coagulation - une décantation : étape de séparation du floc et de l'eau interstitielle, entraînant la production de boues d'une part, et d'eau clarifiée, d'autre part. Depuis une trentaine d'années, I'état de la technique relatif à un tel traitement physico-chimique a considérablement évolué par suite de l'apparition de deux technologies: - la floculation avec masse de contact qui a permis d'améliorer la qualité des flocs, de réduire le volume des réacteurs et d'améliorer la clarification.En effet, les microflocs de la coagulation ont d'autant plus de chance de s'agglomérer et de croître que le milieu de réaction comporte une grande densité de particules : la vitesse de formation du floc est proportionnelle au nombre de particules libres dans la suspension. - la décantation lamellaire, réalisée par introduction de plaques ou de tubes inclinés, dans les décanteurs. Cette technologie a permis de réduire la taille desdits décanteurs dans une proportion de 50 à 70%. L'évolution technologique actuelle vise à l'amélioration des conditions de floculation, qui sont déterminantes quant à la qualité de l'eau traitée et à l'obtention de vitesses de décantation élevées. A ce jour, les décanteurs modernes utilisent deux types de masses de contact dans le réacteur de floculation: 1. la boue décantée et recirculée : un exemple de cette technique est décrit dans FR-A-2 553 082; 2. des lests fins, tels que du microsable : un exemple de mise en oeuvre de cette technique est décrit dans FR-P-I 411 792 et dans FR-A2 627 704. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux appareils à boues décantées et recirculées, ces perfectionnements étant tels que lesdits appareils, tout en gardant leurs spécificités et leurs avantages, fonctionnent à des vitesses de décantation beaucoup plus grandes. Avant de décrire lesdits perfectionnements, on exposera les avantages ainsi que les inconvénients de cette technique connue, à masse de contact boues. Sur la figure 1 des dessins annexés, on a représenté de façon schématique une installation de traitement physico-chimique mettant en oeuvre cette technique. Sur cette figure, on a schématisé en A le réacteur de coagulation, en B, le floculateur et en C le décanteur. II s'agit là d' installations bien connues de l'homme de l'art et dans ces conditions, elles ne seront pas décrites. Ainsi qu'on le voit sur cette figure 1, la masse de contact, dans le réacteur de floculation B est constituée par la recirculation d'une partie des boues décantées en C, cette partie de boues recyclées étant introduite dans le floculateur B par l'intermédiaire de la conduite 16 et de la pompe de recirculation 18. Le débit de boues recirculé représente entre 0,5 et 4% du débit traité. Les boues recirculées, I'eau brute et le polyélectrolyte sont mis en contact dans une zone de fortes turbulences, le polymère ainsi qu'on le voit sur cette figure 1 étant généralement injecté au voisinage de l'hélice 10 du floculateur B. Les boues concentrées en excès sont extraites et évacuées. Les avantages de cette technique de floculation utilisant la boue décantée et recirculée, en tant que masse de contact sont les suivants: 1 -la masse de contact est générée par le procédé, donc disponible sans limitation de quantité, selon les besoins du procédé; 2-dans le réacteur de floculation B, la masse de boues due à la recirculation est très élevée par rapport aux matières en suspension apportées par l'eau bute. De ce fait, le système est insensible aussi bien aux baisses qu'aux montées importantes des matières en suspension de l'eau brute; 3-la masse de contact offre une surface spécifique ou une occupation spatiale très importante, du fait de sa structure expansée, de sa faible densité relative ; à titre d'exemple 1 gramme de boues floculées dans un litre (concentration moyenne dans le réacteur) occupe, après décantation d'environ 5 minutes, un volume égal à 100 ml. Cette très grande surface spécifique ou occupation spatiale augmente considérablement la probabilité de contact entre les flocs et les très fines particules, colloïdes coagulés, micro-organismes et donc la probilité de piéger ces matières en suspension avec beaucoup d'efficacité; 4- du fait de la recirculation continue des boues toujours refloculées, il se produit une densification de celles-ci. Aussi, les boues extraites sont très concentrées (deux à dix fois plus concentrées que les boues de la plupart des appareils); 5-cette technique permet d'atteindre des vitesses de traitement relativement élevées. Ainsi, en clarification d'eau de rivière, les vitesses annoncées au travers des modules lamellaires du décanteur sont comprises entre 10 et 25 m3/m2.h, ce qui correspond à des vitesses de décantation UD (rapport débit/surface du radier du décanteur) de 6 à 15 m/h. Ces vitesses sont en fait limitées par le flux massique limite (Fml) de la suspension floculée exprimé en kg de matière en suspension transitant par m2 de radier de décanteur et par heure (kg/m2/h). Le flux massique est le facteur limitant qui détermine la valeur théorique limite de décantation Udl. Cette valeur est liée aussi à la concentration CR des boues dans le réacteur B exprimée en kg/m3 Fml = CR x Udl Soit: Udl = Fml/CR. Si la vitesse de décantation UD appliquée au décanteur C est égale ou supérieure à Udl il y a engorgement. Le décanteur lamellaire est efficace en tant que finisseur mais il est incapable de retenir un lit de boue. II faut donc vérifier que le flux massique appliqué sur le décanteur est inférieur à Fml ou que la vitesse de décantation UD appliquée sur le décanteur est inférieure à Udl. Par exemple, dans le cas de la clarification d'une eau de rivière, le flux massique limite est généralement inférieur ou voisin de 20 kg/m3 .h. La concentration CR exigée pour une bonne floculation est d'environ 1 kg/m3. La vitesse limite de décantation Udl est alors de 20m/h. d'où la vitesse UD appliquée sur le décanteur inférieure à 15 m./h. pour des raisons de sécurité. 6 - Souvent de tels appareils sont suivis d'un système de filtration. C'est le cas en clarification d'eau de rivière. La filtration est caractérisée par la qualité de l'eau filtrée et par la durée du cycle de filtration (durée de fonctionnement à l'issue de laquelle l'encrassement maximal du filtre est atteint, nécessitant un lavage de celui-ci). Avec les décanteurs à recirculation de boues, la durée du cycle de filtration est généralement supérieure à 24 h. Pour traduire l'aptitude de l'eau décantée à être filtrée avec des durées de filtration correctes, on procède à des tests représentatifs de la filtrabilité de l'eau décantée. Un des tests ainsi utilisables consiste à mesurer le temps nécessaire à filtrer 250 cm3 d'eau décantée sur une membrane de 5 um et sous un vide de 8.104 Pa. La filtration de l'eau sera d'autant plus aisée que ce temps sera court. Dans le cas d'un décanteur fonctionnant avec une vitesse de décantation UD égale à 15 m/h, la filtrabilité est d'environ 30 secondes. 7 - L'augmentation des vitesses de décantation UD est possible mais au prix d'une augmentation de la dose de polyélectrolyte. Or, un excès de polyélectrolyte réduit la filtrabilité de l'eau décantée (augmentation du temps du test), ce qui se traduit sur un filtre par un colmatage de surface et donc par une réduction de la durée du cycle de filtration. La présente invention se propose de perfectionner la technique exposée cidessus en vue d'en éliminer les inconvénients. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé de traitement physico-chimique d'effluents, notamment d'eaux de surface destinées à la consommation comprenant les étapes successives de coagulation, floculation et décantation, une masse de contact étant introduite dans l'eau issue de l'étape de coagulation, donc durant l'étape de floculation, cette masse de contact étant constituée par une partie des boues densifiées provenant de l'étape de décantation et recyclée dans l'étape de floculation, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on injecte, dans le circuit de recirculation des boues au moins une partie du polyélectrolyte assurant la floculation. La présente titulaire a constaté que cette façon de procéder a pour effet inattendu et avantageux d'augmenter le flux massique limite, la vitesse de décantation, la filtrabilité de l'eau brute et la concentration des boues extraites. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un mode de mise en oeuvre dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins: - la figure 1 est une vue schématique illustrant le principe du procédé connu décrit ci-dessus de traitement physico-chimique dans lequel la masse de contact utilisée durant l'étape de floculation est constituée par de la boue décantée et recirculée et, - la figure 2 est un schéma de principe, similaire à la figure 1 illustrant le procédé objet de la présente invention. Ainsi qu'on le voit sur la figure 2, la masse de contact dans le floculateur B, comme dans le procédé connu illustré par la figure 1, est constituée par une recirculation en continu d'une partie des boues densifiées, après décantation et épaississement dans le décanteur C. La partie de boues ainsi recyclée est recirculée vers le floculateur B à l'aide de la conduite de recirculation 16, débouchant en 14 dans le floculateur et de la pompe 18. Selon la présente invention, au moins une partie (polymère 2) du polyélectrolyte nécessaire à la floculation est introduite dans le circuit de recirculation 16 des boues. La partie éventuellement restante du polyélectrolyte (polymère 1) est introduite dans le réacteur de floculation B. Comme on le voit sur la figure 2, cette introduction d'une partie au moins du polyélectrolyte dans les boues recirculées peut s'effectuer en amont ou en aval de la pompe de recirculation 18. Généralement, on effectuera cette injection en amont de la pompe 18 de manière que le mélange boues recyclées + polyélectrolytes bénéficie du brassage de la pompe. En variante, la partie du polyélectrolyte introduite dans les boues recyclées, peut être mélangée à ces dernières dans un réacteur agité spécifique, placé sur la conduite de recirculation 16. Selon la présente invention, I'injection primaire de polyélectrolyte (polymère 1) peut s' effectuer dans le réacteur de floculation B, au voisinage de l'hélice 10 de ce dernier comme illustré sur la figure 2, mais elle peut être également réalisée dans la conduite 12 d'amenée de l'eau à traiter dans le floculateur (zone agitée), en amont ou en aval du point d'admission 14 des boues recirculées par l'intermédiaire de la conduite 16. Selon l'invention, le rapport entre la dose de polyélectrolyte introduite dans le réacteur de floculation B (injection primaire) et la dose injectée dans le circuit 16 de recirculation des boues (injection secondaire) peut varier et être optimisé. La proportion de polymère injecté dans la recirculation des boues peut varier de 10% à 100% du flux total de polymère, 10% est la dose de polymère nécessaire pour obtenir une augmentation significative du flux massique (supérieure à 10%). Il est possible selon l'invention d'injecter 100% du polymère dans le circuit de recirculation des boues. Dans ce cas, les flux massiques sont encore plus importants (100 à 200 kg/m3.h), mais la qualité de l'eau se détériore un peu. En effet, dans ce cas, il n'y a plus suffisamment de polymère libre pour réaliser le collage entre les boues recirculées denses et les microflocs venant de la coagulation de l'eau brute. Dans la pratique, selon que l'objectif recherché est une forte vitesse UD de décantation (compacité de l'ouvrage) ou une eau traitée de qualité, la proportion de polymère injectée dans le circuit de recirculation des boues, par rapport à l'ensemble du polymère injecté dans l'étape de floculation, variera de 10% à 100% avec un optimum généralement compris entre 20 et 70%. Selon la présente invention, on peut injecter dans les boues recirculées, un polymère différent de celui qui est injecté dans le réacteur de floculation B. Ainsi, par exemple, on peut injecter un polymère anionique dans le réacteur de floculation B et un polymère cationique dans les boues recirculées. Selon la présente invention, les boues recirculées peuvent être injectées directement dans le floculateur B, comme illustré sur la figure 2 ou bien dans la conduite 12 assurant la liaison entre le coagulateur A et le floculateur B. Le procédé objet de la présente invention peut s'appliquer à tout type de traitement d'eau, clarification d'eau pour la consommation ou l'industrie, traitement des eaux industrielles ou urbaines (primaires ou tertiaires...etc.). Des essais ont été réalisés sur un même pilote d'essai équipé d'un coagulateur A, d'un floculateur B et d'un décanteur C dont la surface de décantation SD était égale à 2m2 et d'un circuit de recirculation des boues 16 présentant une pompe de recirculation 18 de débit adapté. La capacité de ce pilote d'essai était d'environ 100m3/h. Deux séries d'essais ont été ainsi réalisées sur une eau de surface. La dose de polyélectrolyte a été la même dans les deux cas (0,8 g/m3) mais légèrement plus forte qu'usuellement afin d'essayer d'augmenter les vitesses de décantation UD. Dans la première série 100% du polyélectrolyte a été injecté dans le réacteur de floculation B, au voisinage de son hélice 10 alors que dans la seconde série d'essais, 50% seulement du polyélectrolyte a été injecté au voisinage de l'hélice de floculation 10 et 50% injecté dans le circuit 16 de recirculation des boues. Le pilote était réglé et ajusté de manière que toutes les autres conditions d'essais soient par ailleurs identiques. Les résultats les plus significatifs sont résumé dans le tableau ci-après. Tableau ESSAIS N 1 ESSAIS N 2 Eau brute Eau de rivière Coagulant (g/m ) 20 20 Polyélectrolyte (g/m ) 0,8 0,4 (au voisinage hélice 10) (au voisinage hélice 10) 0,4 (dans recirculation 16) - Flux massique limite Fml 50 100 (kg/m2/h) -Concentration CR i I dans réacteur B (gA) - Vitesse limite Udl (m/h) 50 100 Vitesse testée dans pilote UD(mlh) 25 50 UL (m/h) 40 80 Turbidité eau traitée (NTU) 0,5 à 1 0,7 à 1,1 Filtrabilité (s) 60 30 Concentration boues extraites 30 45 (g/l) II ressort de l'étude des résultats figurant dans ce tableau que le procédé objet de l'invention apporte les avantages suivants par rapport à l'état antérieur de la technique: 1) A dose de polymère identique, le flux massique est deux fois plus important, ce qui a permis de tester des vitesses de décantation UD, dans le décanteur, ou UL dans le lamellaire, deux fois plus importantes et ce à qualité d'eau traitée, pratiquement égales, cet avantage se traduisant par une réduction de la taille des appareils 2) L'eau décantée présente une meilleure filtrabilité. Le temps de test de filtrabilité (30 secondes) est deux fois plus faible et équivalent à ce que l'on obtient avec des doses de polymère usuelles (environ 0,4 g/m3) et des vitesses de traitement plus faibles (UD = 15 m/h au lieu de 50 m/h.), cette durée plus longue du cycle de filtration entraîne une réduction du nombre de lavages à effectuer sur les filtres. 3) Les boues extraites présentent une concentration améliorée d'environ 50%, ce qui permet de réduire la dimension des systèmes de traitement de boues, ce résultat apportant l'avantage de permettre de réduire la dimension des systèmes de traitement des boues. II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation et de mise en oeuvre décrits etlou représentés mais qu'elle en englobe toutes les variantes qui entrent dans le cadre de la portée des revendications annexées Ainsi, dans certains cas, où l'adhérence des microflocs de la coagulation sur la boue dense de la recirculation se fait mal, on peut, selon l'invention prévoir un troisième point d'injection de polymère. Dans ce cas, ce troisième point d'injection est placé de préférence en amont du premier point d'injection dans la conduite 12 de transfert assurant la liaison entre le coagulateur A et le floculateur B, ou dans un réacteur spécifique intercalé entre le coagulateur et le floculateur. REVENDICATIONS Procédé de traitement physico-chimique d'effluents, notamment d'eaux de surface destinées à la consommation comprenant les étapes successives de coagulation (A), floculation (B) et décantation (C), une masse de contact étant introduite dans l'eau issue de l'étape de coagulation, donc durant l'étape de floculation et cette masse de contact étant constituée par une partie des boues densifiées provenant de l'étape de décantation et recyclée dans l'étape de floculation, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on injecte, dans le circuit de recirculation des boues (16) au moins une partie du polyélectrolyte assurant la floculation. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le pourcentage du polymère injecté dans les boues recirculées, ou injection secondaire varie de 10 à 100% de la quantité totale de polymère injecté dans l'étape de floculation et dans les boues recirculées, selon que l'on veut respectivement favoriser la vitesse de décantation ou la qualité de l'eau. 3 Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le pourcentage du polymère secondaire injecté dans les boues recirculées, varie de 20 à 70% de la quantité de polymère injecté dans l'étape de floculation et dans les boues recirculées. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le polymère secondaire injecté dans les boues recirculées est différent du polymère primaire qui est injecté dans le réacteur de floculation (B) 5 Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le polymère injecté dans le réacteur de floculation (B) est un polymère anionique et, le polymère injecté dans les boues recirculées est un polymère cationique. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'injection primaire de polymère est réalisée au voisinage de l'hélice de floculation (10). 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'injection primaire de polymère est réalisée dans la conduite de transfert (12) entre le réacteur de coagulation (A) et le réacteur de floculation (B). 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'injection secondaire de polymère s'effectue dans la conduite (16) de recirculation des boues recyclées dans le réacteur de floculation (B), en aval etlou en amont de la pompe de recirculation (18). 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 7 caractérisé en ce que l'injection secondaire de polymère s'effectue dans un réacteur de mélange polymère-boues recirculées qui est intercalé sur la conduite (16) de recirculation des boues recyclées. 10 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on prévoit un troisième point d'injection de polymère. 11 Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que ledit troisième point d'injection est positionné en amont du point d'injection primaire de polymère, dans la conduite (12) de transfert de 'effluent entre le réacteur de coagulation (A) et le réacteur de floculation (B). 12 Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que ledit troisième point d'injection de polymère est positionné dans un réacteur spécifique qui est interposé entre le réacteur de coagulation (A) et le réacteur de floculation (B). 13 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'injection des boues recirculées s'effectue directement dans le réacteur de floculation (B). 14 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que l'injection des boues recirculées s'effectue dans la conduite (12) de liaison entre le réacteur de coagulation (A) et le réacteur de floculation (B).