Brevet FR2897610A1 — publié le 20070824

Installation et procédé de traitement d'eau par floculation décantation à floc lesté avec dessablage final des boues. L'invention concerne le domaine du traitement des eaux, notamment en vue de leur épuration. Plus précisément, l'invention se rapporte au traitement des eaux par floculation décantation à floc lesté d'un matériau granulaire. Les procédés mettant en oeuvre un tel traitement sont connus de l'homme de l'art. Ces procédés permettent la réalisation d'unités de décantation particulièrement compactes, du fait de la construction du floc à décanter autour d'un matériau granulaire fin, inerte, et plus dense que l'eau, qui permet de porter les vitesses de décantation du floc à des valeurs importantes, dépassant 15 m/h et pouvant aller jusqu'à plus de 100 m/h. Le matériau granulaire employé dans de tels procédés est généralement du sable fin, de diamètre compris usuellement entre 40 et 300 micromètres, plus fréquemment entre 80 et 200 micromètres. Plus précisément de tels procédés consistent à faire passer, après coagulation en ligne ou dans une zone de coagulation, l'eau à traiter dans au moins une zone de mélange agitée dans laquelle sont injectés au moins un réactif floculant et le matériau granulaire de lest, qui est généralement du sable et qui est dénommé comme tel ci-après. L'eau passe alors dans une zone de décantation, préférentiellement après passage dans une zone intermédiaire agitée dans laquelle se termine la floculation. Le floc, constitué de boues floculées autour de grain(s) de sable, décante rapidement dans la zone de décantation, équipée ou non de lamelles, est repris en fond de la zone de décantation et envoyé, généralement par pompage et tuyauterie de transport, sur un ou plusieurs organes de séparation sable/boue. Ces organes de séparation sont usuellement constitués d'hydrocyclones. Les boues en excès extraites de l'organe de séparation (par exemple en surverse de l'hydrocyclone) sont envoyées, débarrassées de leur sable, vers le traitement des boues tandis que le sable (extrait en sousverse de l'hydrocyclone par exemple), est recyclé vers la zone de mélange. L'eau traitée est quant à elle envoyée vers l'aval par la surverse de décantation. Ce type de procédé de l'art antérieur constitue en fait un bon piège à sable, dans la mesure où l'ensemble des boues extraites du procédé passe dans un hydrocyclone dessableur. En pratique, ce type de procédé permet usuellement de limiter à moins de 3 grammes de sable par mètre cube d'eau traitée les pertes en sable dans les boues. Compte tenu d'un taux d'extraction des boues variant généralement entre 5% et 15% du débit d'eau à traiter, c'est donc un maximum d'environ 20 à 60 grammes de sable qui partent par mètre cube de boues extraites, ce qui est peu par rapport, par exemple, au taux de sable présent dans les boues primaires de décantation (30% pour les boues provenant des procédés de traitement des eaux usées et jusqu'à 80% à 90 % pour les boues provenant des procédés de potabilisation d'eau). Néanmoins, il peut arriver que du sable s'échappe exceptionnellement des organes de séparation sable - boue (en cas de bouchage de la sousverse d'un hydrocyclone principalement). Les boues présentent alors un taux de sable plus élevé, ce qui peut entraîner des risques de bouchage, d'abrasion et d'usure mécanique des équipements de traitement des boues et conduire à la nécessité d'extraire ce sable des boues avant traitement de celles-ci. L'objectif principal de l'invention est de résoudre ce problème technique, c'est-à-dire de minimiser les risques de passage vers le traitement des boues du matériau granulaire utilisé en tant que lest dans les boues extraites d'une installation de traitement d'eau par floculation décantation à floc lesté. Un autre objectif de la présente invention est de fournir une combinaison de la décantation à floc lesté avec un dispositif permettant d'éliminer le matériau de lest des boues des ouvrages de floculation décantation à floc lesté, dispositif qui soit à la fois peu onéreux et efficace, et permette une automatisation facile de son fonctionnement ainsi que de l'extraction et la recirculation vers l'ouvrage de floculation décantation des sables extraits des boues. Ces objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne une installation de traitement d'eau comprenant des moyens d'amenée d'eau à traiter vers au moins une zone de mélange, des moyens d'injection d'au moins un réactif floculant dans ladite zone de mélange, des moyens d'injection d'au moins un matériau granulaire fin plus dense que l'eau formant lest dans ladite zone de mélange, une zone de décantation, des moyens d'évacuation du mélange de matériau granulaire et de boue formé dans ladite zone de décantation vers au moins un organe de séparation du matériau granulaire et des boues dudit mélange, des moyens d'évacuation de l'eau clarifiée de ladite zone de décantation, des moyens d'évacuation des boues en excès séparées par ledit au moins un organe de séparation, des premiers moyens de recyclage du matériau granulaire séparé par ledit au moins un organe de séparation vers ladite zone de mélange, caractérisée en ce qu'elle inclut au moins un dispositif de piégeage dudit matériau granulaire prévu sur lesdits moyens d'évacuation des boues provenant dudit au moins un organe de séparation matériau granulaire/boue et en ce qu'elle inclut des second moyens de recyclage du matériau granulaire piégé par ledit dispositif de piégeage vers ladite zone de mélange. On notera que, de façon classique, l'eau entrant dans une telle installation sera préférentiellement coagulée en amont de celle-ci ou dans une zone de coagulation au sein de celle-ci, prévue en amont de ladite zone de mélange. Egalement de façon classique, une zone intermédiaire permettant de parfaire la floculation, et préférentiellement munie de moyens d'agitation, sera également prévue entre ladite zone de mélange et ladite zone de décantation. La zone de décantation pourra quant à elle être pourvue de lamelles favorisant la décantation, comme déjà décrit dans l'art antérieur. Le dispositif de piégeage et les seconds moyens de recyclage selon la présente invention permettent de minimiser considérablement les pertes en matériau granulaire utilisé en tant que lest (de façon classique du sable de granulométrie inférieure à 300 mm). Ce dispositif étant simple à réaliser il n'implique de surcroît pas de surcoût important de l'installation qu'il équipe. On pourra envisager de réaliser ce dispositif de piégeage selon différentes formes. Toutefois de façon particulièrement intéressante celui-ci comprend un corps essentiellement vertical, des moyens d'amenée des boues provenant de l'organe de séparation prévus préférentiellement à la moitié environ de la hauteur de celui-ci, un fond formant essentiellement entonnoir, et des moyens d'évacuation des boues dessablées. Le corps en question pourra être prismatique mais sera préférentiellement cylindrique afin de favoriser l'écoulement du matériau granulaire. D'une façon préférée entre toutes, lesdits moyens d'amenée des boues provenant de l'organe de séparation seront conçus tangentiellement audit corps de ce dispositif de piégeage. Selon une variante, lesdits moyens d'évacuation des boues dessablées sont prévus 5 dans la partie supérieure dudit corps cylindrique du dispositif de piégeage. Selon une autre variante, lesdits moyens d'évacuation des boues dessablées sont prévus dans la partie inférieure dudit corps cylindrique, ce qui permet d'utiliser le dispositif de piégeage en tant qu'épaississeur de boues. Dans ce cas, celui-ci comprend préférentiellement des moyens d'évacuation des 10 surverses prévus dans la partie supérieure du corps cylindrique et, le cas échéant, des moyens de recyclage desdites surverses vers ladite zone de mélange. Avantageusement, le fond de ce dispositif est essentiellement conique ou tronconique et préférentiellement l'angle des génératrices du fond avec l'horizontale est compris entre 45 et 60 . 15 Selon une variante particulièrement intéressante de l'invention, ledit dispositif de piégeage est pourvu d'une vanne commandant la mise en communication de l'intérieur de celui-ci avec lesdits seconds moyens de recyclage. Egalement préférentiellement, le dispositif de piégeage est pourvu d'au moins un capteur de la hauteur de matériau granulaire dans le corps ou le fond dudit dispositif de piégeage ou de la masse de 20 matériau granulaire présent dans celui-ci. Ce capteur pourra par exemple être de type à lame vibrante, à ultrasons ou sonde infrarouge. Préférentiellement, l'installation est pourvue de moyens d'ouverture automatique de ladite vanne en fonction d'une grille temporelle ou en fonction des données relevées par ledit capteur. L'ouverture de la vanne pourra ainsi être contrôlée par un temps mort 25 donné entre deux ouvertures, ou par un volume de boues donné passant dans le dispositif de piégeage, ou encore par la mesure de la quantité d'eau ayant transité dans une durée donnée dans l'installation. La présente invention vise également à couvrir tout procédé de mise en oeuvre d'une installation telle que décrite ci-dessus caractérisé en ce qu'il comprend une étape 30 consistant à faire transiter lesdites eaux dans celle-ci à une vitesse superficielle (ratio du débit entrant sur la surface du plan d'eau) supérieure à 15 m/h et en ce qu'il comprend une étape consistant à faire entrer lesdites boues dans ledit dispositif de piégeage à une vitesse superficielle inférieure à 20 m/h, préférentiellement entre 10 et 15 m/h. Egalement préférentiellement, un tel procédé comprend aussi une étape consistant à faire transiter le matériau granulaire piégé par ledit dispositif de piégeage vers lesdits seconds moyens de recyclage, en fonction de données temporelles ou relatives à la quantité de matériau granulaire présent dans celui-ci. Avantageusement, le dispositif de piégeage de matériau granulaire pourra être utilisé comme épaisseur de boues. L'invention, ainsi que les différents avantages qu'elle présente sera plus 10 facilement comprise grâce à la description qui va suivre de deux modes non limitatifs de réalisation de celle-ci donnés en référence aux figures 1 et 2. L'installation décrite sur la figure 1 inclut, de façon classique, des moyens d'amenée 1 d'eau à traiter vers une zone de coagulation 2 pourvue de moyens d'agitation, au moins une zone de mélange 3 pourvue de moyens d'agitation, une zone intermédiaire 15 3 également pourvu de moyens d'agitation, des moyens d'injection 2.1 d'au moins un réactif coagulant dans ladite zone de coagulation, des moyens d'injection 3.2 d'au moins un réactif floculant dans ladite zone de floculation, des moyens d'injection 3,1 de sable dans ladite zone de mélange 3, une zone de décantation 5 pourvue de lamelles de décantation 6, des moyens d'évacuation 9, incluant des moyens de pompage 8, du 20 mélange de matériau granulaire et de boue formé dans ladite zone de décantation vers un organe de séparation 10 du matériau granulaire et des boues dudit mélange constitué par un hydrocyclone, des moyens d'évacuation 7 de l'eau clarifiée de ladite zone de décantation 5, des moyens d'évacuation 11 des boues en excès séparées par l'hydrocyclone, des premiers moyens de recyclage du matériau granulaire séparé par 25 celui-ci vers ladite zone de mélange, ces moyens étant constitués par les moyens d'amenée de sable 3.1. Conformément à la présente invention, l'installation est également pourvue d'un dispositif de piégeage 20 du sable prévu sur les moyens d'évacuation 11 des boues provenant de l'hydrocyclone 10. Le dispositif de piégeage 20 comprend un corps cylindrique 21 vertical avec un fond conique 22, l'angle des génératrices du fond avec l'horizontale étant de 60 . Dans ce mode de réalisation, la surface de section horizontale du corps 20 est de 3.97m2. Les boues arrivent dans le dispositif 20 formant piège à sable par des moyens d'amenée constitués par une tubulure 23 débouchant à environ la moitié environ de la hauteur du corps vertical, de façon tangentielle au corps 21. La surface de ce corps vertical cylindrique 21 est choisie pour que la vitesse superficielle des boues dans le dispositif 20 soit inférieure à 20m/h, et comprise préférentiellement entre 10m/h et 15m/h. Cette vitesse superficielle correspond au rapport entre le débit de boues en mètres cubes par heures entrant dans le dispositif 20 et la surface en mètres carrés de la section horizontale au niveau de la surface libre dans le corps 21. Le fond 22 du dispositif 20 est équipé d'une vanne 25, fermée en temps normal, tandis que les boues libres de sable sont extraites, de préférence en partie supérieure 24 15 du dispositif 20. Les sables décantent dans le piège ainsi réalisé et s'accumulent dans le fond 22 de celui-ci d'où ils sont périodiquement extraits par ouverture, avantageusement automatisée, de la vanne 25. Dans ce mode de réalisation, le sable est récupéré dans une benne 26 et renvoyé 20 par des moyens de recyclage 30 vers la zone de mélange 2. L'ouverture de la vanne 25 est contrôlée par la mesure du niveau de sable décanté dans le piège à sable, à l'aide d'un capteur adapté 27 (capteur à ultrason, ou à lame vibrante, par exemple). Le temps d'ouverture est fixé pour permettre à l'ensemble du sable décanté de 25 sortir par la vanne 25. L'installation représentée à la figure 1 a été mise en oeuvre avec un débit d'eau traitée de 1000 m3/h d'eaux usées municipales de type unitaire et avec une vitesse superficielle de décantation dans l'ouvrage de floculation û décantation à floc lesté de 90m/h et un débit de boues extraites de l'hydrocyclone de 50m3/h en moyenne, à 30 6gMES/litre en moyenne. La quantité de sable récupéré par le dispositif 20 a été de 1.44 kg/jour (moyenne journalière sur 1 mois, après lavage, séchage, pesage). Dans le mode de réalisation représentée à la figure 2, sur laquelle des références identiques à celles utilisées en référence à la figure 1 désignent des éléments identiques, le piège à sable 20 sert également d'épaississeur de boues. Dans ce cas, les boues épaissies sont extraites en 24 dans la partie inférieure du dispositif 20, au-dessus de la vanne 25, et à une distance verticale de celle ci suffisante pour permettre l'accumulation du sable, qui décante plus rapidement que les boues, en fond d'ouvrage. Les surverses de l'épaississeur sont extraites en 28, et éventuellement recyclées en 10 amont de la floculation décantation à floc lesté (recyclage non représenté). REVENDICATIONS 1. Installation de traitement d'eau comprenant des moyens d'amenée (1) d'eau à traiter vers au moins une zone de mélange (3), des moyens d'injection d'au moins un réactif floculant (3.2) dans ladite zone de mélange, des moyens d'injection (3.1) d'au moins un matériau granulaire fin plus dense que l'eau formant lest dans ladite zone de mélange, une zone de décantation (5), des moyens d'évacuation (9) du mélange de matériau granulaire et de boue formé dans ladite zone de décantation vers au moins un organe de séparation (10) du matériau granulaire et des boues dudit mélange, des moyens d'évacuation (7) de l'eau clarifiée de ladite zone de décantation, des moyens d'évacuation (11) des boues en excès séparées par ledit au moins un organe de séparation, des premiers moyens de recyclage du matériau granulaire séparé par ledit au moins un organe de séparation vers ladite zone de mélange, caractérisée en ce qu'elle inclut au moins un dispositif de piégeage (20) dudit 15 matériau granulaire prévu sur lesdits moyens d'évacuation des boues provenant dudit au moins un organe de séparation matériau granulaire/boue. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle inclut des seconds moyens de recyclage (26, 30) du matériau granulaire piégé par ledit dispositif de piégeage vers ladite zone de mélange. 20 3. Installation selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit dispositif de piégeage du matériau granulaire comprend un corps essentiellement vertical (21), des moyens d'amenée (23) des boues provenant de l'organe de séparation prévus préférentiellement à la moitié environ de la hauteur de celui-ci, un fond (22) formant essentiellement entonnoir et des moyens d'évacuation (24) des boues dessablées. 25 4. Installation selon la revendication 3 caractérisée en ce que lesdits moyens d'amenée (23) des boues provenant de l'organe de séparation sont conçus tangentiellement audit corps. 5. Installation selon la revendication 3 ou 4 caractérisée en ce que lesdits moyens d'évacuation (24) des boues dessablées sont prévus dans la partie supérieure 30 dudit corps cylindrique (21). 6. Installation selon la revendication 3 ou 4 caractérisée en ce que lesdits moyens d'évacuation (24) des boues dessablées sont prévus dans la partie inférieure dudit corps cylindrique (21). 7. Installation selon la revendication 6 caractérisé en ce que le dispositif de piégeage comprend des moyens d'évacuation des surverses (28) prévus dans la partie supérieure du corps cylindrique et, le cas échéant, des moyens de recyclage desdites surverses vers ladite zone de mélange. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisée en ce que ledit corps (21) est essentiellement cylindrique. 9. Installations selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit fond (22) est essentiellement conique ou tronconique. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 3 à 9 caractérisé en ce que l'angle des génératrices du fond (22) avec l'horizontale est compris entre 45 et 60 . 11. Installation selon l'une quelconque des revendication 1 à 10 caractérisée en ce que ledit dispositif de piégeage (20) est pourvu d'une vanne (25) commandant la mise en communication de l'intérieur de celui-ci avec lesdits seconds moyens de recyclage (26 , 30). 12. Installation selon l'une quelconque des revendication 3 à 11 caractérisée en ce que ledit dispositif de piégeage (20) est pourvu d'au moins un capteur (27) de la hauteur de matériau granulaire dans le corps (21) ou le fond (22) dudit dispositif de piégeage ou en fonction de la masse de matériau granulaire présent dans celui-ci. 13. Installation selon la revendication 12 caractérisée en ce que ledit capteur (27) est de type à lame vibrante, à ultrasons ou sonde infrarouge. 14. Installation selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13 caractérisée en ce qu'elle est pourvue de moyens d'ouverture automatique de ladite vanne (25) en fonction d'une grille temporelle ou en fonction des données relevées par ledit capteur (27). 15. Procédé de mise en oeuvre d'une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à faire transiter lesdites eaux dans celle-ci à une vitesse superficielle supérieure à 15 m/h eten ce qu'il comprend une étape consistant à faire entrer lesdites boues dans ledit dispositif de piégeage à une vitesse superficielle inférieure à 20 m/h. 16. Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à faire entrer lesdites boues dans ledit dispositif de piégeage à une vitesse 5 superficielle comprise entre 10 et 15 m/h. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 ou 16 caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à faire transiter le matériau granulaire piégé par ledit dispositif de piégeage vers lesdits seconds moyens de recyclage, en fonction de données temporelles ou relatives à la quantité de matériau granulaire présent dans 10 celui-ci. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17 caractérisé en ce que le dispositif de piégeage de matériau granulaire est utilisé comme épaisseur de boues.