Brevet FR2946974A1 — publié le 20101224

L'invention concerne un procédé et une installation de traitement de l'eau. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de traitement de l'eau comprenant un prétraitement pour améliorer la qualité de l'eau avant réalisation d'un autre traitement, ledit prétraitement comportant une étape de coagulation-floculation au cours de laquelle on ajoute des produits à l'eau, lesdits produits comportant au moins un coagulant, et éventuellement un floculant, et une étape de filtration directe sur au moins un filtre granulaire (filtre gravitaire ou filtration sous pression). Ainsi, on considère notamment le traitement de l'eau en vue de sa potabilisation, de son épuration ou de sa désalinisation. Par exemple, pour un procédé de traitement de l'eau correspondant au dessalement de l'eau par osmose inverse (eau de mer, eau saumâtre, eau issue d'un procédé, etc...), après le pompage de l'eau, et avant le traitement de l'eau par osmose inverse qui permet son dessalement, on réalise un prétraitement visant à purifier cette eau. En pratique, au cours de ce prétraitement, on retire la majeure partie des matières en suspension et des particules colloïdales, pour que l'eau présente une qualité élevée compatible avec les exigences requises en amont des membranes d'osmose inverse (il peut s'agir également de membranes spiralées de type nanofiltration). En effet, afin d'éviter un encrassement trop rapide des membranes et une assurer une durée de vie optimale de ces dernières, les fournisseurs de membranes d'osmose inverse préconisent des valeurs maximales de SDI (pour � Siit Density Index�), cet indice SDI étant représentatif du pouvoir colmatant de ladite eau (la mesure s'effectue selon une méthode de filtration sur des membranes dont les pores présentent une taille de 0.45 pm). Par exemple, les valeurs maximales recommandées de SDI pour l'eau alimentant les membranes d'osmose inverse sont en général de l'ordre de 4 à 5, voire dans certains cas de 3. A cet effet, le prétraitement met en oeuvre classiquement une étape de coagulation-floculation suivie d'une étape de filtration. Sur la figure 1 est illustré un exemple de prétraitement de l'eau selon l'art antérieur. De façon connu en soi, lors de l'étape de coagulation-floculation, on ajoute à l'eau brute (pompage direct 10 ou réservoir 12) en premier lieu un coagulant 14 (sel métallique généralement de fer ou d'aluminium, ou encore un coagulant organique) contenant des cations (métalliques AI3+ ou Fei+) qui permettent d'annuler les charges électronégatives des particules colloïdales et donc de supprimer les forces de répulsion inter colloïdales. On peut ajouter de l'acide 16 afin d'obtenir un pH optimal pour la réalisation de la coagulation. En second lieu, on ajoute préférentiellement à l'eau un floculant 18 (en général un polymère organique ou naturel introduit à l'eau dans un mélangeur statique 20) qui facilite l'agglomération des particules colloïdales entre elles, ce qui engendre la formation des flocs. De plus, les flocs produits lors de l'injection du coagulant favorisent également des mécanismes d'adsorption des substances colmatantes sur les flocs et à leur rétention sur la masse filtrante en même temps que les flocs. Il est alors possible d'éliminer les flocs par filtration directe sur filtre granulaire. On parle de filtration directe lorsque le traitement réalisé en amont de la filtration ne comprend pas d'étape de séparation de flocs. La filtration est une opération extrêmement courante qui trouve sa place dans les filières de potabilisation. On peut utiliser un filtre dont la masse granulaire est monocouche (composé d'un matériau filtrant unique comme le sable, le charbon actif en grains) ou un filtre multicouche, le plus souvent bicouche, qui comprend plusieurs matériaux de filtration superposés par ordre de taille croissante et de densité décroissante (un filtre bicouche est composé par exemple de sable et d'anthracite, de sable et de pierre ponce, de sable et de charbon actif en grains). Au début d'un cycle de filtration, le lit filtrant est libre de toute matière en suspension puis, au fur et à mesure du passage de l'eau les matières en suspension viennent peu à peu l'encrasser. Il s'agit de la phase de maturation au cours de laquelle le lit filtrant n'opère pas de façon optimale et n'élimine pas complètement les solides en suspension. Le filtre n'étant pas opérationnel pendant sa maturation, dans l'hypothèse où un seul filtre est utilisé, la sortie doit être vidangée. Le contrôle de la turbidité de la sortie durant cette phase permet d'écourter de façon optimale le temps de maturation, et de ce fait évite le passage de solides en suspension en aval. En exploitation, pour éviter ce temps mort pendant la maturation du filtre, on utilise une batterie 23 de filtres granulaires 22 placés en parallèle qui présentent des cycles de filtration décalés entre eux de sorte qu'à chaque instant une majorité de filtres a dépassé la phase de maturation et est opérationnelle. De cette façon, à la sortie de la batterie de filtres 23, on peut mesurer l'index SDI global (unité de mesure 24) avant d'effectuer le traitement par osmose inverse (dispositif de traitement 26 placé en aval de la batterie de filtres 23). Au cours du cycle de filtration d'un filtre 22 donné, la perte de charge (DP mesurée en cm de hauteur d'eau) dans le lit filtrant augmente régulièrement en raison de l'accumulation des flocs au sein de la masse filtrante. On peut se référer à la courbe 27 de la Figure 2 (alimentation en coagulant -sulfate de fer Fe2(SO4)3 -constante et égale à 1,5 ppm au cours du temps). Au dessus d'un seuil de perte de charge, le lavage du filtre est alors déclenché selon une procédure de rétro-lavage connue de l'homme de l'art. A la fin du lavage, le filtre 22 repart alors pour un nouveau cycle de filtration. Lors de cette étape de lavage du filtre 22, les eaux de lavage contiennent, outre les flocs, également des quantités importantes de coagulant et de floculant, ce qui contribue à des rejets de produits et/ou nécessite un traitement particulier de ces eaux de lavage. Ces dernières représentent une quantité importante si l'on considère qu'au bout de l'ordre de 48H le filtre s'est encrassé et présente une perte de charge trop importante pour permettre un débit suffisant en sortie de filtre, et qu'il doit en conséquence être lavé pour démarrer sur un nouveau cycle. Si l'on se réfère à la courbe 29 de la Figure 2 qui représente l'index SDI mesuré en fonction du temps pour un filtre donné 22, on vise l'obtention d'une eau dont l'index SDI est inférieur ou égal à 4,5. Cette valeur maximale est atteinte au bout d'un temps tl=8 heures correspondant à la durée de la phase de maturation. Habituellement, La dose de coagulant (et de floculant) est le plus souvent ajustée en fonction de la concentration initiale en particules de l'eau (mesurée sous forme de turbidité -unité FNU pour � Formazine Nephe%ometric Units �- ou de quantité de matières en suspension) ou de la couleur de l'eau. L'optimisation des doses de coagulant et floculant peut être réalisée également à l'aide d'essais préliminaires soit à l'échelle laboratoire (jar test) ou à l'échelle pilote. Il faut noter que les doses de coagulant et de floculant ne prenant pas en compte une éventuelle variation de la turbidité de l'eau devant subir le prétraitement, il s'ensuit que la tendance est au surdosage en coagulant et floculant, ce qui signifie qu'une eau de qualité supérieure à la qualité requise est produite au moins à certains moments On comprend que l'optimisation de la quantité de coagulant (et de floculant) doit prendre en compte d'un côté des impératifs d'efficacité du prétraitement (une dose insuffisante ne permet pas une coagulation-floculation de toutes les particules) et de l'autre côté des conséquences économiques (le coagulant et le floculant présentent un coût non négligeable en tant que matière première et sont, lors du rétro-lavage soit rejetés soit traités pour être recyclés). La présente invention a pour objectif de fournir un procédé de traitement de l'eau permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité d'optimiser le prétraitement qui améliore la qualité de l'eau avant réalisation d'un autre traitement requérant une très bonne qualité d'eau d'alimentation. L'invention a encore pour objectif de fournir un procédé de traitement de l'eau qui permette de réduire les coûts d'exploitation et de gérer la quantité des produits au plus près des besoins réels correspondant à la qualité de l'eau requise à l'issue du prétraitement. A cet effet, selon la présente invention, le procédé est caractérisé en ce que ledit prétraitement comporte en outre les étapes suivantes : - une étape de mesure de la valeur d'au moins une information représentative de la qualité de l'eau à la sortie de chacun des filtres granulaires ; - une étape de comparaison de ladite valeur mesurée avec une valeur seuil prédéterminée ; et - une étape de réduction de la quantité de coagulant ajoutée lors de l'étape de coagulation-floculation, lorsque ladite valeur mesurée est supérieure ou inférieure à ladite valeur seuil. Ainsi, selon l'invention, il ne s'agit plus d'ajouter en continu une quantité constante de produits tout au long du prétraitement mais de réduire la quantité de coagulant ajouté à l'eau pendant l'étape de coagulation-floculation du prétraitement, lorsqu'il est détecté que le filtre a atteint un stade de son cycle qui entraîne le dépassement ou le passage en deçà d'une valeur seuil pour un paramètre représentatif de la qualité de l'eau sortant dudit filtre. De cette manière, on comprend que par la réduction de la quantité de coagulant pendant le cycle de filtration, il s'ensuit un ajustement de la quantité de coagulant utilisé pour chaque filtre, et par là une économie de coagulant utilisé. Cette solution présente aussi l'avantage supplémentaire, de permettre, en outre, d'allonger la durée des cycles de filtration, donc de réduire les fréquences de lavage des filtres et les pertes en eau de lavage associées. Globalement, grâce à la solution selon la présente invention, il est possible d'adapter la quantité de coagulant ajoutée lors de l'étape de coagulation-floculation, d'une part aux spécificités de chaque filtre, et d'autre part, à la qualité de l'eau envoyée au pré-traitement. Selon une caractéristique préférentielle, ladite étape de mesure comprend la mesure du pouvoir colmatant de ladite eau (ou SDI pour � Siit Density Index �). Le pouvoir colmatant est un bon indicateur de la qualité de l'eau et sa mesure à la sortie d'un filtre granulaire donne précisément le niveau de maturation atteint par ce filtre. Dans ce cas, la réduction intervient lorsque la valeur de SDI mesurée est inférieure à une valeur seuil de SDI. Selon une autre caractéristique préférentielle, ladite étape de mesure comprend la mesure du temps écoulé depuis le début d'un cycle de filtration de chacun des filtres granulaires. La mesure du temps de filtration depuis le dernier rétro-lavage constitue également une information représentative de la qualité de l'eau à la sortie du filtre considéré. A cet effet, il suffit de déterminer à l'aide de tests préliminaires un temps de filtration seuil depuis le dernier rétro- lavage, à partir duquel le filtre considéré a atteint sa maturité et à partir duquel l'eau sortant de ce filtre a atteint la qualité requise pour le traitement ultérieur. Dans ce cas, la réduction intervient lorsque la valeur du temps de filtration mesurée est supérieure à une valeur seuil du temps de filtration. Selon une caractéristique avantageuse, ladite étape de mesure comprend la mesure de la perte de charge de chacun des filtres granulaires. La valeur de la perte de charge du filtre est aussi un paramètre représentatif de la qualité de l'eau en sortie du filtre considéré et de l'état de maturation du filtre. Dans ce cas, la réduction intervient lorsque la valeur de la perte de charge mesurée est supérieure à une valeur seuil de la perte de charge. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite étape de mesure comprend la mesure de la turbidité (NTU) de ladite eau ou la mesure de l'index d'encrassement modifié (MFI pour � Modified Fou/ing Index�) de ladite eau. La mesure de la turbidité ou de l'index d'encrassement modifié correspond également à une information représentative de la qualité de l'eau à la sortie du filtre considéré. Dans ce cas, la réduction intervient lorsque la valeur de la turbidité ou de l'index d'encrassement modifié mesurée est inférieure à une valeur seuil. Selon un aspect avantageux, ladite étape de réduction de la quantité de coagulant ajoutée lors de l'étape de coagulation-floculation intervient dans les filtres granulaires ayant atteint leur seuil de maturation. Selon encore un autre aspect avantageux, la réduction de la quantité de produit ajoutée intervient à hauteur d'au moins 20%, et de préférence d'au moins 50%. Il s'agit donc de réduire notablement la quantité de coagulant fournie à chaque filtre lorsque ce dernier a atteint son stade de maturation. Cette réduction par filtre atteint au moins 20%, voire d'au moins 30%, de préférence d'au moins 40% et avantageusement d'au moins 50%, voire jusqu'à 75% entre la quantité de départ et la quantité réduite, ce qui permet d'obtenir globalement pour la batterie de filtres utilisée une réduction très significative de la quantité totale de coagulant nécessaire (entre 10 et 50%). La présente invention porte également sur une installation de traitement d'eau pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être défini et qui comprend des moyens de traitement requérant une eau d'alimentation présentant un niveau de qualité élevé, et, en amont desdits moyens de traitement : - des moyens d'alimentation en coagulant, et éventuellement des moyens d'alimentation en floculant ; - des moyens de filtration comprenant au moins un filtre granulaire placé en aval des moyens d'alimentation en coagulant, et en aval des éventuels 10 moyens d'alimentation en floculant ; - des moyens de mesure de la valeur d'au moins une information représentative de la qualité de l'eau à la sortie de chaque filtre granulaire ; - des moyens de comparaison de ladite valeur mesurée avec une valeur seuil prédéterminée ; 15 - des moyens de réduction de la quantité de coagulant ajoutée à l'eau par les moyens d'alimentation en coagulant lors de l'étape de coagulation-floculation lorsque ladite valeur mesurée est supérieure ou inférieure à ladite valeur seuil. Avantageusement, les moyens de filtration comprennent une 20 série de filtres granulaires montés en parallèle. De cette façon, on peut augmenter la capacité de filtration de l'installation et, en décalant entre eux les cycles de filtration des différents filtres, disposer en permanence de filtres ayant atteint leur maturation. De préférence, les moyens de réduction de la quantité de 25 coagulant comportent une alimentation secondaire en coagulant de chaque filtre qui vient compléter la quantité de produit ajoutée dans l'eau par les moyens d'alimentation en coagulant. Avantageusement, l'installation comporte en outre des moyens de rectification du pH de l'eau en amont des moyens de filtration. 30 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un procédé de prétraitement mis en oeuvre selon l'art antérieur, 35 - la figure 2, déjà décrite, illustre l'évolution du SDI et de la perte de charge DP au cours du temps dans une installation de traitement de l'eau mettant en oeuvre le procédé de prétraitement selon l'art antérieur, - la figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation d'une installation apte à mettre en oeuvre le procédé de prétraitement selon l'invention, - la figure 4 illustre l'évolution du SDI et de la perte de charge DP au cours du temps dans une installation de traitement de l'eau mettant en oeuvre le procédé de prétraitement selon l'invention, et - la figure 5 illustre l'évolution du SDI et de la perte de charge DP au cours du temps dans une installation de traitement de l'eau avec un dosage de coagulant comparatif. On se reporte maintenant sur la figure 3 illustrant un exemple d'installation d'un mode de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement d'eau selon l'invention. Une canalisation d'amenée d'eau brute 30 dessert un réservoir de stockage 32 dont la sortie est reliée à une canalisation 34 dans laquelle sont introduits les produits de l'étape de coagulation-floculation. Une première source générale de coagulant 36 alimente en continu la canalisation 34. En amont de cette première source générale de coagulant 36, une source de floculant 38, optionnelle, alimente en continu la canalisation 34 qui aboutit dans un mélangeur statique 40 recevant par ailleurs en continu, depuis une source d'acide 42, la quantité d'acide requise pour l'obtention du pH requis. A la sortie du mélangeur statique 40, un réseau de canalisation 44 présente des sorties qui sont chacune reliée à l'entrée d'un filtre granulaire 46, l'ensemble des filtres granulaires formant une batterie 48 de filtres granulaires montés en parallèle. A la sortie de chaque filtre 46 sont disposés des moyens de mesure 50 de la valeur d'au moins une information représentative de la qualité de l'eau à la sortie dudit filtre 46. Ces moyens de mesure 50 peuvent revêtir différentes formes : capteurs de SDI, de turbidité ou de MFI, horloge mesurant le temps écoulé depuis le début du cycle de filtration (à savoir depuis le dernier rétrolavage du filtre), ou des moyens pour la mesure de la pression d'eau ou de la perte de charge dans le filtre. Ces moyens de mesure 50 sont associés à des moyens de comparaison (non représentés) de ladite valeur mesurée avec une valeur seuil prédéterminée. Ces moyens de comparaison sont reliés à des moyens de commande automatiques (non représentés) susceptibles d'agir sur des moyens de réduction de la quantité de coagulant : en l'espèce il s'agit d'une vanne 51 dont le degré d'ouverture laisse passer plus ou moins de coagulant provenant d'une deuxième source de coagulant 52. De cette façon, pour chaque filtre 46, on dispose d'une source permanente de coagulant (première source générale de coagulant 36, commune à tous les filtres 46 de la batterie de filtres 48) et d'une source additionnelle et temporaire (deuxième source de coagulant 52) propre à chaque filtre 46. Ainsi, la réduction de la quantité de coagulant s'effectue indépendamment pour chaque filtre 46, au moyen de la vanne de commande 51 du débit de la deuxième source de coagulant 52 qui est fermée lorsque la réduction de coagulant souhaitée est maximale. A la sortie de la batterie 48 de filtres granulaires, les moyens de traitement 54 requérant une eau d'alimentation présentant un niveau de qualité élevé comprennent des membranes spiralées de type nanofiltration ou des membranes d'osmose inverse. Contrairement à ce qui pourrait être attendu, les inventeurs ont mis en avant que le fait de réduire la quantité de coagulant utilisée pendant l'étape de coagulation-floculation ne dégrade pas la qualité de l'eau et en particulier son pouvoir colmatant SDI. Ainsi, en utilisant une installation de traitement d'eau conforme à l'exemple de la figure 3, un essai conforme à celui mis en oeuvre dans le cas de la Figure 1, a été réalisé en abaissant la quantité de coagulant au bout de 10 heures (passage de 1,5 ppm à 0,25 ppm). En pratique, dans ce cas, la première source générale de coagulant 36 délivre en permanence 0,25 ppm de sulfate de fer Fe2(SO4)3, la deuxième source de coagulant 52 est réglée pour délivrer 1,25 ppm de sulfate de fer Fe2(SO4)3 lorsque la vanne de commande 51 du débit de la deuxième source de coagulant 52 est ouverte. Les résultats de cet essai sont visibles sur la Figure 4 : la courbe 57 illustrant la perte de charge en fonction du temps et la courbe 59 représentant l'index SDI mesuré en fonction du temps pour un filtre donné 46. Dans ce cas, on obtient une eau dont l'index SDI est inférieur ou égal à 4,5 au bout de 5 heures et de l'ordre de 4 au bout de 10 heures, sans dépasser 4,25 au-delà de 10 heures. Ainsi, on constate que la diminution de la quantité de coagulant n'a pas d'incidence majeure sur le pouvoir colmatant SDI de l'eau au sein de chaque filtre 46. A titre de comparaison, la figure 5 illustre un essai dans lequel on a maintenu de façon constante la quantité de coagulant (sulfate de fer Fe2(SO4)3), à hauteur de 0,25 ppm (valeur basse finale de l'essai précédent illustré sur la figure 4). Dans ce cas, la courbe 67 illustre la perte de charge en fonction du temps et la courbe 69 représente l'index SDI mesuré en fonction du temps pour un filtre donné 46. La valeur de 4,5 pour le SDI n'est atteinte qu'au bout de 10,5 heures, en restant en deçà au-delà de 10,5 heures. Selon une autre variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut prévoir d'ajouter, durant la phase de maturation de chaque filtre, une dose de coagulant supérieure au dosage nominal conventionnel qui aura été préalablement déterminé en fonction de la qualité de l'eau à traiter. De cette façon, il est possible de réduire le temps de maturation des filtres. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement de l'eau comprenant un prétraitement pour améliorer la qualité de l'eau avant réalisation d'un autre traitement, ledit prétraitement comportant les étapes suivantes : - une étape de coagulation-floculation au cours de laquelle on ajoute des produits à l'eau, lesdits produits comportant au moins un coagulant ; et - une étape de filtration directe sur au moins un filtre granulaire (46); le procédé étant caractérisé en ce que ledit prétraitement comporte en outre les étapes suivantes : - une étape de mesure de la valeur d'au moins une information représentative de la qualité de l'eau à la sortie de chacun des filtres granulaires (46); - une étape de comparaison de ladite valeur mesurée avec une valeur seuil prédéterminée ; et - une étape de réduction de la quantité de coagulant ajoutée lors de l'étape de coagulation-floculation, lorsque ladite valeur mesurée est supérieure ou inférieure à ladite valeur seuil. 2. Procédé de traitement de l'eau selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de mesure comprend la mesure du 20 pouvoir colmatant de ladite eau (ou SDI pour � Sut Deas/ty Index�). 3. Procédé de traitement de l'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite étape de mesure comprend la mesure du temps écoulé depuis le début d'un cycle de filtration de chacun des filtres granulaires (46). 25 4. Procédé de traitement de l'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite étape de mesure comprend la mesure de la perte de charge de chacun des filtres granulaires (46). 5. Procédé de traitement de l'eau selon l'une quelconque 30 des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite étape de mesure comprend la mesure de la turbidité (NTU) de ladite eau ou la mesure de l'index d'encrassement modifié (MFI pour � Mod/lied Fou/ing Index�) de ladite eau. 6. Procédé de traitement de l'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite étape de réduction de la quantité de coagulant ajoutée lors de l'étape de coagulation-floculation intervient dans les filtres granulaires (46) ayant atteint leur seuil de maturation. 7. Procédé de traitement de l'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réduction de la quantité de coagulant ajoutée intervient à hauteur d'au moins 20%, et de préférence d'au moins 50%. 8. Installation de traitement d'eau pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend : - des moyens de traitement requérant une eau d'alimentation présentant un niveau de qualité élevé, et, en amont desdits moyens de traitement : - des moyens d'alimentation en coagulant (14, 52); - des moyens de filtration (48) comprenant au moins un filtre granulaire (46) placé en aval des moyens d'alimentation en coagulant ; - des moyens de mesure de la valeur d'au moins une information représentative de la qualité de l'eau à la sortie de chaque filtre granulaire (46) ; - des moyens de comparaison de ladite valeur mesurée avec une valeur seuil prédéterminée ; - des moyens de réduction (51) de la quantité de coagulant ajoutée à l'eau par les moyens d'alimentation en coagulant (14, 52) lors de l'étape de coagulation-floculation lorsque ladite valeur mesurée est supérieure ou inférieure à ladite valeur seuil. 9. Installation de traitement d'eau selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de filtration(48) comprennent une série de filtres granulaires (46) montés en parallèle. 10. Installation de traitement d'eau selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que les moyens de réduction de la quantité de coagulant comportent une alimentation secondaire en coagulant (52) de chaque filtre qui vient compléter la quantité de produit ajoutée dans l'eau par les moyens d'alimentation en coagulant. 11. Installation de traitement d'eau selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, caractérisée en ce que les moyens de traitement requérant une eau d'alimentation présentant un niveau de qualité élevé comprennent des membranes spiralées de type nanofiltration ou des membranes d'osmose inverse. 12. Installation de traitement d'eau selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens de rectification du pH de l'eau (16) en amont des moyens de filtration (48).10