Brevet FR2888514A1 — publié le 20070119

La présente invention concerne le domaine technique général du traitement de fluide, tel qu'une solution aqueuse, contenant des métalloïdes ainsi que des matières solides en suspension, notamment de l'eau à potabiliser ou de l'eau d'origine urbaine à recycler ou rejeter dans le milieu environnemental. En particulier, la présente invention concerne un procédé de dépollution de fluide contenant des métalloïdes ainsi que des matières solides en suspension par adsorption sur un lit fluidisé d'alumine activée dans un réacteur de traitement. L'invention a également pour objet une installation de dépollution de fluide contenant des métalloïdes ainsi que des matières solides en suspension, convenant à la mise en oeuvre dudit procédé. Les métalloïdes, tels que l'arsenic, le sélénium, l'antimoine, et le fluor, représentent une source de pollution particulièrement importante, tant en terme de quantité, qu'en terme de risques environnementaux, en particulier lorsqu'il s'agit d'eaux à potabiliser. Afin de diminuer les concentrations des métalloïdes en solution sous les normes en vigueur, divers procédés ont été mis au point. Afin d'éliminer par exemple l'arsenic d'effluents, on utilise classiquement des procédés physico-chimiques, du type précipitation chimique ou co-précipitation par adoucissement à la chaux, des procédés d'échanges ioniques sur résines polymérique, ou encore des procédés de coagulation-floculation sur filtre direct, notamment à l'aide de sels de fers et d'aluminium. Néanmoins, ces procédés nécessitent en général de nombreux réacteurs et ouvrages pour réaliser les diverses étapes du traitement, telles que la coagulation, la floculation, et la décantation. Ces procédés nécessitent ainsi de lourds investissements, tant en GC qu'en équipements. Par ailleurs, les traitements de l'art antérieur visant à dépolluer des effluents contenant des métalloïdes, tels que l'arsenic, par filtration au travers d'un lit fixe de réactif adsorbant sont très inefficaces du fait du colmatage rapide du filtre, lorsque les effluents à traiter contiennent des substances colloïdales ou des matières en suspension. Par conséquent, il existait ainsi un besoin de mettre au point un procédé et une installation pour le traitement de fluides, tels que l'eau ou des effluents, contenant des métalloïdes ainsi que des matières solides en suspension, ne présentant pas les inconvénients des procédés et dispositifs de l'art antérieur, permettant notamment de réaliser une dépollution et une séparation efficace du fluide au sein d'un seul ouvrage de traitement, en s'affranchissant d'un ouvrage de décantation séparé, et permettant également d'éviter le colmatage du dispositif de dépollution. La présente invention vient combler ce besoin. Le Demandeur a ainsi découvert un nouveau procédé et une installation permettant de traiter et de dépolluer efficacement les fluides concentrés en métalloïdes, tels que les effluents urbains ou encore les eaux de surface en vue de les rendre potables, dans un réacteur de traitement à flux ascendant, compact, très simple d'exploitation et de mise en oeuvre, et au sein duquel est réalisée de manière efficace l'adsorption des métalloïdes à éliminer, ainsi que la séparation des fluides à traiter. Le procédé objet de la présente invention permet ainsi de dégrader une fraction importante des métalloïdes en solution avec un rendement de rétention des métalloïdes pouvant aller jusqu'à 90 à 99 %, en général aux environs de 95 %, pour un large éventail de métalloïdes en concentrations variables. Le procédé selon la présente invention permet notamment de réaliser une dépollution efficace de fluide, tel qu'une solution aqueuse, par adsorption sur un lit mobile d'alumine activée, ainsi qu'une séparation gravitaire du fluide traité de la suspension d'alumine au sein d'un seul ouvrage de traitement, sans perte sensible d'adsorbant, ne nécessitant pas l'ajout d'additifs de coagulation ou de floculation, sans obligation d'équiper l'ouvrage d'un dispositif à mélange mécanique, et permettant d'éviter le colmatage rapide du lit et d'éviter le recours à des lavages de filtre fréquent. Le procédé selon la présente invention permet ainsi de traiter divers types d'eaux, telles que les eaux d'origine urbaine ou industrielle, et permet de se débarrasser d'une part substantielle des pollutions toxiques, tout en évitant le colmatage du lit. La présente invention a ainsi pour objet un procédé de dépollution de fluide contenant des métalloïdes ainsi que des matières solides en suspension, par adsorption 2888514 3 des métalloïdes sur alumine activée dans un réacteur de traitement à flux ascendant, comprenant l'alimentation du fluide à traiter en partie inférieure du réacteur contenant un lit d'alumine activée, la recirculation du fluide ayant traversé le lit, de la partie supérieure du réacteur vers la partie inférieure du réacteur, de manière à créer une expansion de l'alumine activée et à maintenir un taux d'expansion suffisant pour éviter le colmatage du lit, et la récupération du fluide dépollué. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, le fluide à traiter est une solution aqueuse, avantageusement de l'eau à potabiliser, en particulier de l'eau souterraine ou de l'eau de surface, telle que l'eau de rivière, l'eau de barrage, ou l'eau de nappe alluviale, ou de l'eau d'origine industrielle. Avantageusement selon la présente invention, le pH du fluide à traiter à l'entrée du réacteur est compris entre 6 et 7,5. Selon une caractéristique particulière de la présente invention, les métalloïdes sont choisis dans le groupe constitué par l'arsenic, le sélénium, l'antimoine, le fluor, et leurs mélanges. Avantageusement selon la présente invention, le taux d'expansion du lit est maintenu entre 15 et 40 %, avantageusement entre 20 et 35 %, encore plus avantageusement entre 25 et 35 %, en particulier entre 25 et 30 %. Dans un exemple de réalisation particulier de la présente invention, pour le maintien du taux d'expansion, il faut que la somme du débit d'alimentation et du débit de recirculation soit supérieure au débit minimum de fluidisation du lit d'alumine activée. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, la récupération du fluide dépollué est réalisée par surverse ou par pompage du fluide décanté et dépollué situé en partie supérieure du réacteur surmontant le lit d'alumine activée. La présente invention a également pour objet une installation de dépollution de fluide contenant des métalloïdes ainsi que des matières solides en suspension comprenant au moins un réacteur de traitement (1) contenant: - des moyens d'injection (2) du fluide à traiter en partie inférieure du réacteur, - un lit d'alumine activée (3) surmontant lesdits moyens d'injection (2) du fluide, 2888514 4 - une boucle de recirculation (4) de la partie supérieure du réacteur vers la partie inférieure du réacteur, et - un dispositif de récupération (5) du fluide dépollué en partie supérieure du réacteur, agencé au-dessus de ladite boucle de recirculation (4). Cette installation convient à la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. L'installation selon la présente invention peut contenir un seul réacteur de traitement ou plusieurs réacteurs de traitement associés en parallèle (partage du débit) ou en série, notamment dans des applications industrielles. Si l'installation selon la présente invention contient plusieurs réacteurs de traitement, il est possible de dimensionner sélectivement chacun des ouvrages constituant la filière en sélectionnant la composition du lit d'alumine (origine, granulométrie et quantité) et en ajustant les paramètres de fonctionnement hydraulique (vitesse ascensionnelle et hauteur utile de matériau notamment) et de dosage en adsorbant. Typiquement, l'installation peut comprendre deux réacteurs de traitement au sein de chacun duquel sont réalisées une dépollution du fluide, ainsi qu'une séparation entre les particules d'alumine activée et le fluide. Le premier réacteur de traitement peut alors constituer un ouvrage de dégrossissage où la majeure partie de la pollution est écrêtée, et le second réacteur de traitement peut constituer un ouvrage d'affinage afin d'éliminer les métalloïdes restants. Divers objets et avantages de la présente invention deviendront apparents pour l'homme du métier par le biais de références au dessin illustratif suivant: la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un réacteur (1) de traitement de fluide, en fonctionnement, qui comprend une rampe d'injection (2) de fluide à traiter, un lit d'alumine activée (3) expansée, une boucle de recirculation (4) de la partie supérieure du réacteur vers la partie inférieure du réacteur, et un dispositif de récupération (5) du fluide clair décanté en partie supérieure du réacteur (1), agencé au-dessus de ladite boucle de recirculation (4). Comme cela est représenté sur la figure 1, le fluide à traiter peut être préalablement stocké dans une cuve de stockage (6) ou d'alimentation, avant d'être transféré, par exemple à l'aide de pompes, vers le réacteur de traitement (1). Le fluide 2888514 5 à traiter peut subir un prétraitement, par exemple afin de favoriser la solubilisation des métalloïdes. Le fluide traité peut être transféré dans une cuve d'extraction ou de stockage (7), avant d'être rejeté par exemple en station d'épuration. Le procédé selon la présente invention permet de traiter efficacement divers types de fluides, tels que des eaux ou des effluents bruts urbains ou industriels, concentrés en métalloïdes toxiques, tels que l'arsenic. Le procédé selon la présente invention est avantageusement utilisé pour traiter des effluents à dominante urbaine ou des eaux à potabiliser, en particulier des eaux turbides. Les fluides pouvant être traités dans le cadre de la présente invention peuvent être plus ou moins chargés en MES, et peuvent présenter des teneurs en MES de l'ordre de quelques centaines de mg/L, par exemple de l'ordre de 200 à 300 mg/L. Avantageusement selon la présente invention, on ajuste le pH du fluide à traiter entre 6 et 7,5, avant de l'injecter dans le réacteur de traitement (1), afin que l'alumine activée puisse exercer efficacement son pouvoir adsorbant des métalloïdes. Les métalloïdes pouvant être traités par la présente invention sont de types divers, et peuvent se trouver en concentrations variables dans le fluide à traiter. Le traitement des fluides selon la présente invention peut être réalisé en continu ou en discontinu (type batch). Le réacteur de traitement (1) selon la présente invention est avantageusement un réacteur cylindrique d'axe vertical, d'une hauteur en général comprise entre 1 et 5 mètres, typiquement d'environ 2 à 4 mètres. L'introduction de fluide à traiter dans le réacteur de traitement (1) peut être réalisée par une rampe d'injection (2) équipée d'orifices de diamètre ajusté. L'introduction de fluide peut également être réalisée à l'aide d'un plancher crépiné, de préférence muni de plusieurs crépines réparties sur la section du réacteur de traitement (1). Dans un exemple de réalisation de la présente invention, on place une couche de sable ou d'un matériau similaire dans le réacteur de traitement (1) sous le lit d'alumine activée (3), avantageusement au-dessus des moyens d'injection du fluide à traiter, du type plancher crépiné. Le sable peut être du sable grossier. La couche de sable ou de matériau granulaire similaire utilisé permet de supporter et maintenir le lit 2888514 6 d'alumine activée (3) dans le réacteur de traitement (1), et d'améliorer la dispersion des effluents dans le lit. Le réacteur de traitement (1) selon la présente invention contient un lit mobile d'alumine activée (3). Le lit d'alumine ne peut pas être mis en suspension par agitation mécanique, du fait du caractère friable du matériau. Le lit est avantageusement mis sous forme fluidisée par injection du fluide à traiter en partie inférieure du réacteur à flux ascendant (1), de préférence à la base du réacteur, et par recirculation du fluide dans la colonne de traitement (1) via la boucle de recirculation (4). Le débit de recirculation permet, en complément du débit d'alimentation, d'atteindre au sein du lit d'alumine activée la vitesse minimale de fluidisation, vitesse au-delà de laquelle le lit devient expansé. Une fois le lit expansé, les matières en suspension peuvent le traverser, ce qui prévient le colmatage du réacteur de traitement (1). La granulométrie de l'alumine activée est avantageusement choisie de manière à exercer une adsorption efficace des métalloïdes, tout en ayant une aptitude à l'expansion, afin de créer un lit mobile d'alumine en maintenant une suspension dense d'alumine activée expansée. L'alumine activée selon la présente invention est typiquement de granulométrie de comprise entre 0,1 et 2 mm, typiquement de l'ordre de 0,3 à 0,8 mm. Au sein du lit d'alumine activée, aucun autre additif de traitement que l'alumine, tel que des agents de coagulation ou de floculation pour lester les particules d'alumine, n'a besoin d'être ajouté dans le procédé selon la présente invention. On peut cependant avoir un mode de réalisation dans lequel des agents de coagulation ou de floculation sont ajoutés pour traiter certains types de fluides. Avantageusement selon la présente invention, la hauteur du lit d'alumine, la vitesse et le débit du fluide à traiter ou à recirculer, ou encore le temps de contact du fluide à traiter dans le réacteur, sont choisis de manière à exercer une adsorption efficace des métalloïdes, de préférence de l'ordre de 50 à 99 %, en particulier de 60 à 95 %. Typiquement, le temps de contact dans le réacteur de traitement (1) est de 30 l'ordre de quelques minutes à quelques heures, avantageusement de l'ordre de quelques dizaines de minutes. La hauteur du lit d'alumine au repos peut être 2888514 7 déterminée en fonction du temps de contact et du débit du fluide dans le réacteur de traitement. Par le terme de "débit minimum de fluidisation", on entend au sens de la présente invention le débit minimal auquel le lit d'alumine doit être soumis pour qu'il commence à s'expanser. Ce débit minimal de fluidisation Qmf est, par exemple, estimé par la relation de Wen & Yu (AichE J, 12 (3), 610-612, 1966) : ( 33.72 + 0.0408 dP3Pr (PP2 Pr)g -33.7 f dans laquelle: Sr est la section du réacteur de traitement (m2), est la viscosité du fluide (Pa.$), dp est le diamètre des particules (m), pf est la masse volumique du fluide (kg/m3), pp est la masse volumique des particules (kg/m3), et g est l'accélération de la pesanteur. Dans le cas d'un matériau adsorbant avec répartition granulométrique, le débit minimal de fluidisation du lit est de préférence imposé par les particules de plus gros diamètre. Avantageusement selon la présente invention, le début d'expansion du lit a lieu quand la relation Qalim + Qrecirc > Qmf est vérifiée. Le débit d'alimentation du fluide Qalim est typiquement imposé par le temps de contact nécessaire entre le fluide et le matériau pour fixer les métalloïdes. Le débit de recirculation du fluide Qrecirc vient en complément de Qalim pour assurer un débit supérieur à Qmf. Au-delà de Qmf, le matériau s'expanse. Le débit de recirculation du fluide Qrecirc est avantageusement réglé de façon à atteindre le taux d'expansion voulu (par exemple jusqu'à 40 %), ce taux dépendant de la teneur en matières solides en suspension, et donc du potentiel de colmatage du lit d'alumine. Plus le fluide à traiter est chargé en matières solides en suspension, plus le taux d'expansion devra être élevé. L'alumine activée permet de retenir par adsorption les métalloïdes à éliminer. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir une séparation gravitaire des particules d'alumine du fluide dépollué avec l'obtention d'un fluide clair décanté en partie supérieure du réacteur, à très faible teneur en alumine activée résiduelle. Le fluide Qmf __ Sr f Pfdp 2888514 8 dépollué est alors avantageusement récupéré en partie supérieure du réacteur, par exemple par surverse, à l'aide d'un dispositif de récupération (5), tel qu'un jeu de goulottes crénelées, ou par pompage. Typiquement, une fois que l'alumine activée est saturée en métalloïdes, ce qui 5 peut être facilement contrôlé lorsque le fluide dépollué présente une fuite en métalloïde(s) supérieure à une limite fixée, l'alumine est évacuée en décharge, et le réacteur est rempli avec un matériau neuf. L'exemple suivant est donné à titre non limitatif et illustre la présente invention. Exemple de réalisation de l'invention: Exemple 1: Une installation selon la présente invention comprend un réacteur de traitement (1), de diamètre de l'ordre de 150 mm, contenant un lit d'alumine activée (3) d'une hauteur de 130 cm et d'un volume de matériau de 22,9 litres au repos. L'alumine activée introduite a une granulométrie de 0,3 à 0,8 mm. Le réacteur de traitement (1) contient également des moyens d'injection (2) de fluide à traiter, une boucle de recirculation (4) de la partie supérieure du réacteur vers la partie inférieure du réacteur, ainsi qu'un dispositif de récupération (5) du fluide dépollué en partie supérieure du réacteur, agencé au-dessus de ladite boucle de recirculation (4). Une telle installation est utilisée pour épurer un fluide qui est injecté à la base du réacteur de traitement (1) avec un débit d'alimentation d'environ 801/h, et recirculé avec un débit de recirculation d'environ 130 1/h. Le taux d'expansion résultant du lit est voisin de 30%. Le temps de contact est de l'ordre de 15 minutes. Le fluide clair décanté, situé en partie supérieure du réacteur au-dessus du lit d'alumine activée (3), est récupéré par pompage. Le rendement de capture d'arsenic sur le lit d'alumine est de l'ordre de 97%. 9 REVENDICATIONS 1. Procédé de dépollution de fluide contenant des métalloïdes ainsi que des matières solides en suspension, par adsorption des métalloïdes sur alumine activée dans un réacteur de traitement à flux ascendant, comprenant l'alimentation du fluide à traiter en partie inférieure du réacteur contenant un lit d'alumine activée, la recirculation du fluide ayant traversé le lit, de la partie supérieure du réacteur vers la partie inférieure du réacteur, de manière à créer une expansion de l'alumine activée et à maintenir un taux d'expansion suffisant pour éviter le colmatage du lit, et la récupération du fluide dépollué. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide à traiter est une solution aqueuse, avantageusement de l'eau à potabiliser, en particulier de l'eau 15 souterraine ou de l'eau de surface, telle que l'eau de rivière, l'eau de barrage, ou l'eau de nappe alluviale, ou de l'eau d'origine industrielle. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le pH du fluide à traiter à l'entrée du réacteur est compris entre 6 et 7,5. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce 20 que les métalloïdes sont choisis dans le groupe constitué par l'arsenic, le sélénium, l'antimoine, le fluor, et leurs mélanges. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux d'expansion du lit est maintenu entre 15 et 40 %, avantageusement entre 20 et 30 %. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour le maintien du taux d'expansion, il faut que la somme du débit d'alimentation et du débit de recirculation soit supérieure au débit minimum de fluidisation du lit d'alumine activée. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 30 en ce que la récupération du fluide dépollué est réalisée par surverse ou par pompage du fluide décanté et dépollué situé en partie supérieure du réacteur surmontant le lit d'alumine activée. 8. Installation de dépollution de fluide contenant des métalloïdes ainsi que des matières solides en suspension comprenant au moins un réacteur de traitement (1) contenant: des moyens d'injection (2) du fluide à traiter en partie inférieure du réacteur, un lit d'alumine activée (3) surmontant lesdits moyens d'injection (2) du fluide, - une boucle de recirculation (4) de la partie supérieure du réacteur vers la partie inférieure du réacteur, et un dispositif de récupération (5) du fluide dépollué en partie supérieure du réacteur, agencé au-dessus de ladite boucle de recirculation (4).