Brevet FR2930539A1 — publié le 20091030

Procédé de traitement de fluide par hydrocyclone. L'invention concerne le domaine du traitement des fluides aqueux contenant des particules en suspension pouvant se présenter sous forme de matières en suspension, de matières colloïdales et/ou d'une phase grasse ou encore contenant des matières organiques ou minérales que l'on souhaite faire précipiter, en vue d'en abattre la teneur en de telles matières. L'invention trouve notamment son application dans le cadre du traitement des eaux en vue de leur potabilisation, dans le cadre des procédés mis en oeuvre pour casser des émulsions ainsi que dans le cadre des procédés de précipitation visant à faire précipiter un ou plusieurs composés présents dans un fluide aqueux. Une application particulièrement intéressante de la présente invention concerne le traitement de l'eau en vue de sa potabilisation. De tels procédés de traitement d'eau en vue de sa potabilisation mettent classiquement en oeuvre quatre étapes essentielles, à savoir : - une étape de coagulation/floculation - une étape de décantation - une étape de filtration. Ces différentes étapes ont pour vocation d'éliminer des eaux à traiter les matières solides en suspension qui donnent à l'eau brute sa turbidité. Le principe de la coagulation/floculation est d'agglomérer les particules solides et colloïdales sous forme de flocs présentant une densité supérieure à celle de l'eau de façon à permettre ultérieurement leur décantation. Dans ce cadre, on utilise classiquement comme agents coagulants des sels de fer ou d'aluminium, de la chaux ou des polyélectrolytes. La coagulation est provoquée par l'addition et le mélange rapide d'un agent coagulant aux eaux ce qui provoque la déstabilisation des colloïdes et des matières en suspension solide contenus dans celles-ci et initie l'agrégation des particules ainsi déstabilisées. La floculation, c'est-à-dire l'agrégation de ces particules déstabilisées sous 30 forme de flocs, est obtenue sous agitation douce. La floculation, qui consiste en une agglomération des particules déstabilisées, est améliorée par l'ajout d'un floculant ou adjuvant de floculation d'origine minérale ou organique. Le floculant est le plus généralement un polymère, d'origine naturelle ou organique, qui permet d'améliorer le processus d'agglomération des colloïdes. D'une façon classique, dans le cadre du traitement des eaux en vue de leur potabilisation, l'étape de coagulation/floculation est menée à bien en deux étapes, à savoir: une première étape, mise en oeuvre dans un premier réacteur, au cours de laquelle un agent coagulant tel qu'un sel d'aluminium ou un sel de fer est mélangé rapidement et intensément aux eaux brutes de façon à provoquer la déstabilisation des colloïdes et une deuxième étape, mise en oeuvre dans un second réacteur, dans laquelle un polymère chargé est injecté dans les eaux de façon à permettre sous agitation douce la formation des flocs. Un tel procédé classique de coagulation/floculation des eaux nécessite donc la mise en oeuvre de deux réacteurs pourvus de moyens d'agitation. De telles installations montrent le double inconvénient d'avoir une emprise important et, du fait qu'elles intègrent des pièces mobiles (agitateurs), de nécessiter une maintenance régulière. Les coûts de mise en oeuvre de tels réacteurs sont donc relativement élevés. Une fois les flocs formés, il convient ensuite d'autoriser la décantation de ceux-ci pour permettre leur séparation des eaux. Cette étape est classiquement mise en oeuvre dans des décanteurs, éventuellement pourvus de lamelles, qui permettent de favoriser la décantation des flocs et de diminuer le temps nécessaire à celle-ci. L'étape de décantation permet de séparer les flocs décantés, se présentant sous forme de boues, de l'eau débarrassée de l'essentiel de ses matières en suspension et de ses matières colloïdales. De tels décanteurs, bien que de conception simple, présentent l'inconvénient d'être volumineux et d'accroître encore l'emprise des installations de potabilisation des eaux. A l'issue de l'étape de décantation, les eaux sont ensuite généralement filtrées par exemple sur un filtre à sable. Ces filtres peuvent aussi occuper une place importante. Globalement, les procédés classiques de traitement des eaux en vue de leur potabilisation présentent donc l'inconvénient d'occuper des volumes importants et donc de nécessiter des constructions de grandes dimensions et celui de mettre en oeuvre des éléments mobiles tels que des agitateurs nécessitant une maintenance régulière rendant leur exploitation coûteuse. L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé de traitement de fluide aqueux, notamment mais non exclusivement d'eaux à potabiliser, mettant en oeuvre une étape de séparation de phase par flottation dans une installation présentant une faible taille. Un autre objectif de la présente invention est de proposer un tel procédé n'impliquant pas la mise en oeuvre d'éléments mobiles tels que des agitateurs et ne nécessitant qu'une maintenance simple. Ces différents objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de traitement d'un fluide aqueux en vue d'en séparer des matières en suspension et/ou de la matière colloïdale et/ou des matières organiques ou minérales dissoutes et/ou une phase grasse par flottation, caractérisé en ce qu'il consiste à faire transiter ledit fluide aqueux dans un réacteur formant hydrocyclone en présence de micro-bulles d'air et d'au moins un réactif choisi dans le groupe constitué par les agents coagulants organiques ou minéraux, les agents de floculation organiques ou minéraux, les agents tensio-actifs, les réactifs utilisés pour ajuster le pH, les agents initiateurs de précipitation. L'invention concerne donc un procédé hybride dans lequel l'ajout de réactif et la flottation sont menés à bien dans un unique réacteur formant 30 hydrocyclone. Les hydrocyclones sont des appareillages connus pour séparer les différentes phases d'un fluide en utilisant la force centrifuge provoquée par un écoulement en vortex du fluide en leur sein. Notamment, les hydrocyclones ont été utilisés en tant que dispositifs de séparation dans de nombreux procédés de traitement de fluide aqueux tels que, par exemple, les procédés de clarification des eaux, les procédés de dégazage de liquide, dans les boucles de recyclage des installations de traitement des eaux mettant en oeuvre du lest (sable ou du charbon actif notamment) en vue de recycler ce lest. Les hydrocyclones présentent l'avantage d'être faciles à installer et à utiliser. Ils requièrent une maintenance faible dans la mesure où ils ne mettent pas en oeuvre d'éléments internes mobiles notamment. Leur structure est légère et leur fonctionnement fiable. Le fait qu'ils fonctionnent à faible énergie par rapport aux machines classiques de centrifugation à vitesse élevée renforce encore leur intérêt. Enfin, les hydrocyclones nécessitent peu de place pour être mis en oeuvre et peuvent être utilisés même avec des fluides très chargés, leur efficacité augmentant avec le débit de fluide entrant. Dans les hydrocyclones classiques, le fluide à traiter est injecté tangentiellement dans la partie supérieure de ceux-ci à un débit minimal prédéterminé. Grâce au débit du fluide entrant, il se crée dans l'hydrocyclone un vortex externe, présentant un gradient de vitesse élevé, suivant les parois intérieures de l'enceinte qu'il délimite, et où existent des forces de cisaillement importantes, le vortex externe conduisant la phase la plus lourde vers la sousverse de l'hydrocyclone prévu dans sa partie inférieure, et un vortex interne présentant un gradient de vitesse plus faible entraînant la phase la moins lourde vers la surverse de l'hydrocyclone prévue dans la partie supérieure de celui-ci. Selon une variante préférentielle de l'invention, ledit réactif est un agent coagulant et/ou un agent de floculation permettant de provoquer au sein dudit hydrocyclone la coagulation et la floculation d'au moins une partie des matières en suspension et/ou de la matière colloïdale et/ou des matières organiques ou minérales dissoutes et/ou de ladite phase grasse autour desdites micro-bulles d'air et la flottation des flocs ainsi formés et à séparer lesdits flocs du reste du fluide aqueux traité. On notera qu'il a déjà été proposé dans l'art antérieur de mener à bien l'étape de coagulation/floculation d'une eau chargée en matières colloïdales et en matières en suspension au sein d'un hydrocyclone. Toutefois, toutes les études effectuées sur ce sujet ont conduit à constater que les flocs formés au sein de l'hydrocyclone se cassaient sous l'effet des gradients de vitesse élevés régnant dans celui-ci et provoquant des collisions des flocs. Par ailleurs, la faible différence de densité entre les flocs et le reste du fluide ne permettent pas d'améliorer la séparation. Selon la présente invention, l'utilisation de micro-bulles d'air permet de d'augmenter la différence de densité entre les flocs et le reste du fluide aqueux et donc de permettre aux flocs en cours de formation de gagner le vortex interne où ne règne pas de forces de cisaillement importantes. Selon la présente invention, les micro-bulles d'air sont utilisées non seulement pour favoriser la formation des flocs en augmentant une telle différence de densité mais aussi pour provoquer la flottation de ceux-ci. De telles micro-bulles d'air pourront être amenées ou formées au sein de l'hydrocyclone selon différents procédés connus de l'Homme de l'art. Préférentiellement de l'eau sous pression saturée en air sera amenée dans la partie inférieure de l'hydrocyclone et le passage de ce fluide à la pression atmosphérique régnant dans l'hydrocyclone provoquera la formation desdites micro-bulles. Dans ce cadre, la pression utilisée sera avantageusement comprise entre 2 bar et 6 bar, et de façon encore préférée entre 2,5 bar et 5 bar et l'eau sous pression sera préférentiellement amenée dans l'hydrocyclone à un débit correspondant entre 2 % et 15 % du débit d'entrée du fluide à traiter dans ledit hydrocyclone.30 On notera qu'il a déjà été proposé dans le document de brevet US 4 838 434, de séparer des particules présentes dans une suspension en faisant transiter ladite suspension dans un hydrocyclone pourvu de moyens d'injection d'air générant des micro-bulles. Toutefois, dans cette technique, aucun agent réactif et notamment aucun agent coagulant ou floculant n'est injecté dans l'hydrocyclone. La présente invention se distingue de cette technique par le fait qu'elle met en oeuvre un tel agent, ce qui permet d'éliminer les matières colloïdales, ce qui s'avère impossible par un procédé du type de celui décrit dans cet art antérieur. Selon une variante préférentielle, les micro-bulles d'air présentent un diamètre compris entre 20 �m et 150 �m, et de façon préférée, entre 25 �m et 100 �m. C'est en effet dans cette gamme de taille de micro-bulles qu'il a été constaté les résultats les meilleurs. Le réactif utilisé dans le cadre du procédé selon l'invention pourrait être injecté dans le fluide à traiter juste avant son entrée dans cet hydrocyclone ou, alternativement, directement dans celui-ci. S'agissant d'un procédé de flottation, les matières flottées seront récupérées dans la partie supérieure de l'hydrocyclone. Préférentiellement, le fluide aqueux traité, c'est-à-dire le fluide débarrassé des matières séparées grâce au procédé selon l'invention, sera extrait dans la partie supérieure de l'hydrocyclone, le fluide à traiter étant amené dans la partie inférieure de celui-ci. Avantageusement, l'hydrocyclone présentera un corps cylindrique. Il a en effet été constaté que les résultats obtenus avec une telle architecture d'hydrocyclone étaient meilleurs que ceux obtenus avec un hydrocyclone présentant un corps tronconique. Le procédé selon l'invention pourra être mis en oeuvre pour le traitement d'un grand nombre de types de fluides aqueux. Selon une variante, il pourra ainsi s'agir d'émulsion que l'on souhaitera casser, c'est-à-dire séparer en une phase liquide et une phase grasse. Le procédé selon l'invention pourra également être appliqué aux eaux 30 contenant des matières organiques ou minérales dissoutes que l'on souhaitera faire précipiter. Dans ce cas, le réactif utilisé sera un agent initiateur de précipitation dont la nature dépendra du produit à faire précipiter. Selon une variante, le procédé comprend une étape de recyclage du fluide traité dans ledit hydrocyclone. L'invention ainsi que les différents avantages qu'elle présente seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre d'un mode non limitatif de réalisation de celle-ci, donnée en référence à la figure unique qui représente, de façon schématique, une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. En référence à cette figure unique, l'hydrocyclone présente un corps cylindrique 1 et une partie inférieur conique 2. La partie cylindrique 1 présente dans sa zone inférieure des moyens d'amenée 3 d'un fluide à traiter, conçus de façon telle que le fluide en question pénètre dans l'hydrocyclone de façon tangentielle. L'hydrocyclone est par ailleurs équipé de moyens d'amenée 4 d'un agent coagulant également prévus dans la partie inférieure de la partie cylindrique 1 de l'hydrocyclone. La partie conique inférieure 2 de l'hydrocyclone est quant à elle pourvue de moyens d'amenée 5 d'un fluide sous pression, branchés sur l'apex de la partie conique 2 et intégrant une vanne 6. L'hydrocyclone présente par ailleurs des moyens 8 pour la récupération des flocs flottés comprenant un organe cylindrique central 8a, pouvant être relié à une conduite et des moyens d'évacuation 9 du fluide traité comprenant dans ce mode de réalisation un goulotte 9a prévue autour de l'extrémité supérieur de l'hydrocyclone. Dans un tel équipement, le fluide est soumis à un écoulement en vortex externe symbolisé par la spirale 7 qui suit les parois internes de l'hydrocyclone et présente un gradient de vitesse élevé, en pratique compris entre 200 s-' et 1000 s-', et un écoulement selon un vortex interne présentant un gradient de vitesse faible, en pratique compris entre 20 s-' et 100 s-', selon l'axe vertical de l'hydrocyclone. Lors de la mise en oeuvre du procédé, l'eau sous pression, présentant une pression de 3,5 bar et arrivant par les moyens d'amenée 5 dans la partie inférieure de l'hydrocyclone passe brutalement à la pression atmosphérique régnant à l'intérieur de celui-ci. Ce passage soudain provoque la formation de micro-bulles d'air présentant un diamètre compris entre (30 �m et 45 �m. Ces micro-bulles d'air servent de support de germination à la formation des flocs. Ces flocs sont formés sur ces micro-bulles dans la zone externe du vortex par neutralisation des charges relatives aux particules solides qui peuvent alors s'agréger grâce à l'agent coagulant amené par les moyens 4. Cette germination de la coagulation est rendue possible grâce à la présence de gradients de vitesse élevée dans le vortex externe. Les flocs formés autour des micro-micro-bulles sont ensuite centrifugés et séparés par flottation au coeur de l'hydrocyclone où les gradients de vitesse sont plus faibles et propices à la poursuite du phénomène de floculation. Ces flocs se séparent ainsi du reste du fluide aqueux par flottation dans la partie supérieure de l'hydrocyclone. Ils sont récupérés grâce aux moyens 8 prévus à cet effet dans la partie supérieure de l'hydrocyclone, tandis que le fluide traité est également récupéré dans la partie supérieure de celui-ci grâce aux moyens 9.20 REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'un fluide aqueux en vue d'en séparer des matières en suspension et/ou de la matière colloïdale et/ou des matières organiques ou minérales dissoutes et/ou une phase grasse par flottation, caractérisé en ce qu'il consiste à faire transiter ledit fluide aqueux dans un réacteur formant hydrocyclone en présence de micro-bulles d'air et d'au moins un réactif choisi dans le groupe constitué par les agents coagulants organiques ou minéraux, les agents de floculation organiques ou minéraux, les agents tensio-actifs, les réactifs utilisés pour ajuster le pH, les agents initiateurs de précipitation. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit réactif est un agent coagulant et/ou un agent de floculation permettante de provoquer au sein dudit hydrocyclone la coagulation et la floculation d'au moins une partie des matières en suspension et/ou de la matière colloïdale et/ou des matières organiques ou minérales dissoutes et/ou de ladite phase grasse autour desdites micro-bulles d'air et la flottation des flocs ainsi formés et à séparer lesdits flocs du reste du fluide aqueux traité. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit fluide aqueux est une émulsion. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit fluide aqueux est une eau contenant des matières organiques ou minérales dissoutes que l'on souhaite faire précipiter et en ce que ledit réactif est un agent initiateur de précipitation.i,ÂQ 5. Procédé selon la revendicationlol ou 2 caractérisé en ce que ledit fluide aqueux est une eau dont on souhaite abattre la teneur en matières colloïdales et/ou en matière en suspension. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide à traiter est amené tangentiellement dans une partie inférieure dudit hydrocylone. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que de l'eau sous pression est amené dans une partie inférieure dudit hydrocyclone pour former par détente lesdites micro-bulles, lors de son entrée dans celui-ci. 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite pression est comprise entre 2 bar et 6 bar. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8 caractérisé en ce que l'eau sous pression est amenée dans l'hydrocyclone à un débit correspondant entre 2 % et 15% du débit d'entrée du fluide à traiter dans ledit hydrocyclone. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que lesdites micro-bulles d'air présente un diamètre compris entre 20 pcm et 150 jtm. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à10 caractérisé en ce que ledit réactif est injecté dans le fluide à traiter juste avant son entrée dans ledit hydrocyclone.25. Procédé selon l'une quelcongtlé des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que ledit réactif est injecté dans ledit hydrocyclone. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que le fluide à traiter est amené dans la partie inférieure dudit hydrocyclone et en ce que le fluide traité est récupéré dans la partie supérieure de celui-ci. 14. Procédé selon selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 3 caractérisé en ce que ledit hydrocyclone présente un corps cylindrique. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une étape de recyclage du fluide traité dans ledit hydrocyclone.15