Brevet FR2778121A1 — publié le 19991105

FLOTTATEUR CYCLONIOUE La présente invention concerne le traitement de l'eau, notamment des eaux industrielles usées, par flotattion. Elle concerne plus particulièrement un dispositif spécialement conçu pour ce traitement dénommé flottateur, et notamment fonctionnant par dépressurisation des gaz dissous dans l'eau à traiter. La flottation ou aéroflotation est un procédé d'épuration de l'eau, notamment des eaux usées, consistant à faire remonter à la surface du bain de flottation les éléments à séparer qui se présentent sous une forme colloïdale ou en suspension. Ces éléments sont entraînés vers la surface par la présence de bulles ou micro- bulles présentes dans l'eau à traiter. Ces bulles ou micro-bulles sont apportées par un gaz sous pression qui est insufflé dans l'eau alimentant le flottateur, elles peuvent également résulter de la dépressurisation de gaz dissous dans l'eau alimentant le flottateur. Elles peuvent enfin être générées par une électrolyse partielle de l'eau à traiter. De manière connue, un flottateur est constitué d'un réservoir dans lequel une conduite d'amenée introduit l'eau à traiter et éventuellement un ou plusieurs réactifs chimiques, d'un dispositif de collecte et d'évacuation des mousses formées à la surface du bain de flottation contenu dans le réservoir et d'un collecteur d'eau clarifiée donnant dans le réservoir. L'eau à traiter dans laquelle se trouvent les 2 0 éléments à séparer et les bulles ou micro-bulles et éventuellement le ou les réactifs chimiques pénètrent dans le réservoir, par la conduite d'amenée. Les éléments en suspension sont entraînés par les bulles vers la surface du bain au niveau de laquelle se crée une mousse formée par l'accumulation de ces éléments et par l'air s'échappant du bain. Ces mousses sont collectées et évacuées par le dispositif prévu à cet effet. L'eau clarifiée parvenant au collecteur est évacuée au fur et à mesure de l'alimentation de l'eau à traiter dans le réservoir. En pratique, le réservoir en question est un bassin ouvert en béton, en acier ou en plastique. Généralement, le rapport entre le débit horaire à traiter et la surface de flottation est compris entre 2 et 20 m/h, ce qui peut entraîner la mise en oeuvre - 2 - d'installations très encombrantes lorsqu'il s'agit de débits importants. Le but que s'est fixé le demandeur est de proposer un flottateur ayant une capacité d'épuration plus grande que les flottateurs connus. Ce but est parfaitement atteint par le flottateur de l'invention qui comprend les éléments structurels décrits précédemment pour le flottateur connu et qui est caractérisé en ce qu'il comporte un tuyau cylindrique de flottation, pénétrant verticalement dans le fond du réservoir jusqu'au niveau du bain de flottation et en ce que la conduite d'amenée de l'eau à traiter dans laquelle se trouvent les éléments à séparer, les bulles et éventuellement le ou les réactifs chimiques débouche tangentiellement dans la partie inférieure du tube de flottation. Du fait de cette alimentation tangentielle de l'eau à traiter dans le tuyau cylindrique, il se crée un courant ascendant hélicoïdal à l'intérieur du tuyau de flottation jusqu'au bain de flottation. Quand l'eau à traiter passe de la conduite d'amenée dans le tuyau de flottation, son déplacement est freiné par les forces de frottement de l'eau contre la paroi intérieure du tuyau de flottation. Il en résulte une contrainte de cisaillement qui améliore la capture des éléments en suspension par les bulles d'air et, en présence de réactifs chimiques leur coagulation et leur floculation. Cette amélioration combinée avec la stabilité du déplacement de l'eau dans le tuyau de flottation a pour effet d'augmenter de manière significative l'efficacité d'épuration de l'eau par le flottateur. Dans un mode préféré de réalisation, le tuyau de flottation est disposé de manière axiale par rapport au réservoir et le collecteur d'eau clarifiée est disposé annulairement autour du tuyau de flottation sous le fond du réservoir. Dans une variante préférée, le flottateur comporte un élément séparateur qui s'étend extérieurement autour de l'extrémité supérieure du tuyau de flottation jusqu'à une distance réduite de la paroi intérieure du réservoir. C'est dans l'intervalle existant entre la paroi intérieure du réservoir et l'élément séparateur que peut s'échapper, en dessous du bain de flottation, l'eau clarifiée, exempte d'éléments en suspension. - 3 Avantageusement, l'élément séparateur est une plaque de forme tronconique s'évasant vers le bas. S'agissant plus particulièrement d'un flottateur fonctionnant par dépressurisation des gaz dissous dans l'eau à traiter, de préférence la conduite d'amenée de ce flottateur comporte une soupape de dépressurisation; de plus une tubulure d'amenée d'agents floculants et/ou d'eau à traiter ne comportant pas de gaz dissous débouche dans la conduite d'amenée en aval de ladite soupape. Ainsi, selon cette disposition particulière, le mélange de l'eau à traiter avec l'agent floculant se passe immédiatement après la dépressurisation et donc la formation des bulles et micro-bulles, ce qui permet d'obtenir un mélange particulièrement homogène de l'agent floculant avec l'eau à traiter saturée en bulles d'air. De plus, la contrainte de cisaillement intervient sur le mélange de l'eau à traiter avec l'agent floculant, ce qui améliore encore la floculation et augmente l'efficacité d'épuration de l'eau. Afin d'améliorer encore l'action de l'agent floculant sur les éléments en suspension, le flottateur peut comporter en outre un dispositif de tourbillonnement installé dans la conduite d'amenée à proximité du tuyau de flottation. Il peut s'agir en particulier d'un corps placé à l'intérieur du conduit d'amenée et rétrécissant localement la section de passage de l'eau. 2 o Une difficulté particulière peut se présenter, à savoir la formation de dépôts dans la conduite d'amenée entre la soupape de dépressurisation et le tuyau de flottation. Ces dépôts sont sans doute provoqués par accumulation de matières en suspension floculées. Pour pallier à cet inconvénient, le flottateur selon l'invention se caractérise par l'inclinaison vers le haut de la portion du conduit d'amenée en 2 5 aval de la soupape de dépressurisation. Du fait de cette inclinaison vers le haut, les matières floculées entraînées vers le haut par les bulles d'air ne peuvent plus s'accumuler au contact de la paroi intérieure de la conduite d'amenée. Il est cependant noté qu'il est préférable de limiter l'angle d'inclinaison de la portion de cette conduite d'amenée à environ 7' de manière à respecter les - 4 - conditions souhaitées pour le courant ascensionnel hélicoïidal à l'intérieur du tuyau de flottation. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va être faite d'un exemple préféré d'un flottateur cyclonique illustré par le dessin annexé dans lequel les figures 1 et 2 sont des vues schématiques en coupe transversale pour la figure 1 et en vue de dessus pour la figure 2 du flottateur. Le flottateur 1 comporte comme parties principales: le réservoir 2, le tuyau de flottation 3, le collecteur d'eau clarifiée 4, le conduit d'amenée 5 et le cône séparateur 6. o10 Le conduit d'amenée 5 débouche tangentiellement dans la partie inférieure 3a du tuyau de flottation 3, lequel débouche dans le fond 11 du réservoir 2, son bord supérieur 7 étant en-dessous du bain de flottation 8 lorsque le flottateur est en fonctionnement. Le bain de flottation 8 est constitué par la portion d'eau à traiter qui comporte l'accumulation des matières floculées ou des matières en suspension qui sont portées vers la surface de l'eau par les bulles d'air. C'est à la surface du bain de flottation 8 que se trouvent les mousses 9 qui sont collectées et évacuées par un dispositif connu non représenté. Le cône séparateur 6 est une plaque évasée vers le bas qui est fixé selon le bord supérieur 7 du tuyau de flottation 3 et qui s'étend jusqu'à une distance réduite e 2 o de la paroi interne du réservoir2. Le collecteur 4 d'eau clarifiée est constitué par une chambre annulaire disposée autour du tuyau de flottation 3 et débouchant en partie haute sur une ouverture 10 pratiquée dans le fond 11 du réservoir 2. Dans le mode préféré de réalisation qui est illustré, le flottateur 1 de l'invention fonctionne par dépressurisation du gaz dissous dans l'eau à traiter. Pour obtenir cette dépressurisation, une soupape 12 à étranglement est disposée sur la conduite d'amenée 5. De plus, en aval de cette soupape 12 est prévue une tubulure 13 d'admission d'un réactif chimique, c'est-à-dire d'un agent qui réalise la précipitation ou l'agglomération des matières en suspension à éliminer. Cette -5- tubulure est, dans l'exemple illustré, terminée par un embout annulaire 14, des trous 15 percés dans la conduite d'amenée 5 au niveau dudit embout annulaire 14 permettant l'injection de l'agent floculant de manière répartie dans la section de la conduite d'amenée 5. Un réservoir tampon 7 est disposé sur la conduite d'évacuation 17 raccordée au collecteur 4 d'eau clarifiée. Plus précisément l'évacuation de l'eau clarifiée se fait par débordement dans la partie aval 17b de la conduite d'évacuation à partir du réservoir tampon 16 qui se remplit par le jeu des vases communiquants par l'intermédiaire de la portion amont 17a de la conduite d'évacuation 17. Le fonctionnement du flottateur 1 est le suivant. L'eau à traiter sous pression, saturée en air dissous, passe à travers la soupape 12 de dépressurisation. Après passage de l'étranglement et du fait que le flottateur est ouvert à l'air libre, l'air dissous se dégage dans l'eau à traiter sous forme de bulles minuscules dans la conduite d'amenée 5. Lorsque l'eau à traiter saturée en bulles passe au niveau des trous 15 par lesquels est injecté le réactif chimique, on obtient le mélange dudit agent avec l'eau. Ce mélange est amené par la conduite d'amenée 5 dans le tuyau de flottation 3, tangentiellement à celui-ci. Cette amenée tangentielle confere un mouvement rotatif général du liquide contenu dans ledit tuyau de flottation 3, de sorte que rapidement ce mouvement rotatif, hélicoïdal ascensionnel, se stabilise. En remontant vers le haut, le mélange passe dans le bain de flottation 8. La longueur et le diamètre du tuyau de flottation 3 sont choisis de façon à assurer une interaction totale de l'agent floculant avec les matières en suspension et les bulles. Dans le bain de flottation 8, les bulles d'air et les matières floculantes remontent à la surface et forment la couche de mousse 9, dont la partie supérieure 2 5 est évacuée par un dispositif non représenté. Il est à noter que la couche de mousse se renouvelle naturellement au fur et à mesure du fonctionnement du flottateur. L'eau séparée des matières en suspension, c'est-à-dire l'eau clarifiée va vers l'extérieur du réservoir 2, au-delà du cône séparateur 6, dans l'intervalle entre la partie basse évasée de celui-ci et la paroi de réservoir 2 et entre dans le -6- collecteur 4. Dans le réservoir tampon 16, l'extrémité supérieure 18 de la portion aval 17b de la canalisation d'évacuation 17 se trouve au niveau souhaité pour le bain de flottation 8. On obtient donc l'évacuation de l'eau clarifiée venant du réservoir tampon 16 par débordement au fur et à mesure du fonctionnement du flottateur 1. Pour éviter les risques de dépôts dans la conduite d'amenée 5, entre les trous 15 d'injection de l'agent floculant et le tube de flottation 3, la conduite d'amenée 5, après la soupape de dépressurisation 12 est inclinée vers le haut d'un angle de l'ordre de 7'. Cet angle n'est pas de nature à perturber le fonctionnement cyclonique du flottateur 1 au niveau du tube de flottation 3, fonctionnement qui combine les effets de cisaillement au niveau de la paroi du flottateur et des effets de centrifugation dus au mouvement rotatif du déplacement du mélange injecté dans le fond du tube de flottation 3. Les matières floculées ou flocs qui se forment dans la partie basse du tube de flottation 3 sont moins denses que l'eau, étant de surcroît entraînées par les bulles d'air, de sorte que sous l'effet centrifuge induit par le vortex libre créé par l'alimentation tangentielle, ces flocs se rassemblent au centre du vortex et ont tendance à s'agglomérer en remontant dans le tube de flottation, formant ainsi des macro-flocs particulièrement stables, ce qui augmente considérablement l'efficacité du flottateur. Dans un exemple précis de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, le tube de flottation 3 faisait un diamètre de 250 mm, pour une hauteur de 1 200 mm. Le collecteur 4 d'eau clarifiée était une chambre annulaire, disposée autour du tube de flottation 3, de largeur 50 mm. Le cône séparateur formait un angle d'envrion 60 e avec l'axe du flottateur, son diamètre dans la partie basse la plus large était de 700 mm. Le réservoir 2 était de section carrée, de 150 mm de côtés. Le fond 11 du réservoir était percé d'un orifice de passage 10 mm de 20 mm de largeur. Ce fond 11, comme cela apparaît clairement à l'examen de la figure 1, était partiellement incliné vers le bas dans la portion disposée en-dessous du cône séparateur 6. Le fond 4a du collecteur était quant à lui incliné également -7 vers le bas dans la direction de la conduite d'évacuation 17. Des vannes de purge étaient disposées en partie basse du tube de flottation 3 et de la portion amont 17a de la conduite d'évacuation 17. Avec le flottateur ainsi réalisé, il a été possible de traiter 6 t / h d'eaux usées, ce qui par rapport à un flottateur classique constituait une augmentation de l'efficacité supérieure à 500 %. La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre préféré. Le fonctionnement cyclonique du flottateur, grâce à l'alimentation tangentielle du mélange dans le tube de flottation peut également être utilisée dans le cas o la formation des micro-bulles n'est pas obtenue par o dépressurisation. De plus avantageusement, l'embout 14 peut servir à l'alimentation non seulement du réactif chimique mais également d'une partie d'eau à traiter préalablement mélangée avec le réactif chimique. Dans cette manière d'opérer, on réduit la quantité d'eau à traiter dans laquelle il est nécessaire de dissoudre des gaz sous pression. La disposition particulière de l'alimentation de cette eau entre la vanne de dépressurisation et l'entrée dans le tube de flottation permet de réaliser un mélange parfaitement homogène. Ceci permet de réduire encore le coût de fonctionnement du flottateur, puisqu'il diminue le volume d'eau à soumettre à la pressurisation. 2 o Par ailleurs, la structure du dispositif peut être simplifiée par rapport au mode de réalisation décrit: le cône séparateur n'est pas indispensable. De plus, le réservoir peut consister dans un simple prolongement du tuyau de flottation; en d'autres termes, la partie supérieure du tuyau de flottation peut faire office de réservoir selon l'invention. Dans ce cas, le collecteur d'eau clarifiée peut être disposé annulairement autour du tuyau de flottation, l'eau clairifiée pénétrant dans le collecteur par des trous pratiqués dans le tuyau. REVENDICATIONS 1. Flottateur comprenant un réservoir dans lequel une conduite d'amenée introduit l'eau à traiter et éventuellement un agent floculant, un dispositif de collecte et d'évacuation des mousses formées à la surface du bain de flottation contenu dans le réservoir et un collecteur d'eau clarifiée donnant dans le réservoir, sous le bain de flottation, caractérisé en ce qu'il comporte un tuyau (3) cylindrique de flottation, pénétrant verticalement dans le fond (11) du réservoir (2) jusqu'au niveau du bain de flottation (8) et en ce que la conduite d'amenée (5) de l'eau à traiter débouche tangentiellement dans la partie inférieure du tube (3) de flottation. 2. Flottateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le tuyau (3) de flottation est disposé de manière axiale par rapport au réservoir et le collecteur d'eau clarifiée (4) est disposé annulairement autour du tuyau de flottation (3) sous le fond (11) du réservoir (2). 3. Flottateur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte un élément séparateur (6) qui s'étend extérieurement autour de l'extrémité supérieure (7) du tuyau de flottation jusqu'à une distance réduite(_) de la paroi intérieure du réservoir (2). 4. Flottateur selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'élément séparateur (6) est une plaque de forme tronconique s'évasant vers le bas. 5. Flottateur selon l'une des revendications 1 à 4 fonctionnant par dépressurisation des gaz dissous dans l'eau à traiter, caractérisé en ce que la conduite d'amenée (3) comporte une soupape de dépressurisation (12), et en ce qu'une tubulure (13) d'amenée d'agents floculants et/ou d'eau à traiter ne comportant pas de gaz dissous débouche dans la conduite d'amenée (5) en aval de ladite soupape (12). 6. Flottateur selon la revendication 5 caractérisé en ce que la tubulure d'amenée (13) est raccordée sur la conduite d'amenée (5) par un embout annulaire (14) et en ce que des trous (15) sont percés dans la conduite d'amenée (5) au niveau dudit 9- embout (14). 7. Flottateur selon l'une des revendications 5 ou 6 en ce qu'il comporte un dispositif de tourbillonnement installé dans la conduite d'amenée (5) à proximité du tuyau (3) de flottation. 8. Flottateur selon l'une des revendications 5 à 7 caractérisé par l'inclinaison vers le haut de la portion du conduit d'amenée (5) en aval de la soupape de dépressurisation (12) de préférence d'un angle de l'ordre de 7 .