Brevet FR3045592A1 — publié le 20170623

Procédé et installation de clarification d'eaux intégrant une régulation. 1. Domaine de l'invention L'invention se rapporte aux procédés de traitement des eaux et plus particulièrement à la clarification de celles-ci par différence de densité, en présence d'un média aidant à ladite clarification. L'une des étapes classiques des procédés de traitement des eaux est la clarification, qui consiste en l'élimination de particules en suspension. Afin d'accélérer une telle clarification, il est classique d'avoir recours à des réactifs (coagulant, floculant) permettant l'agglomération de la matière à éliminer sous forme de flocs, ainsi qu'à différents média permettant de faciliter la séparation de ces flocs de l'eau traitée. On parle dans ce cas de floculation assistée. La qualité d'une eau à traiter pouvant fortement varier au cours du temps, celle-ci doit donc être fréquemment évaluée afin d'adapter le traitement dans le but qu'il permette l'obtention d'une eau traitée ayant une qualité prédéterminée. La présente invention se rapporte plus précisément à la régulation des procédés de clarification permettant d'observer cette qualité prédéterminée. 2. Art antérieur D'une façon générale, les procédés de traitement d'eaux par clarification, mettent en oeuvre une première zone de coagulation alimentée en eau brute et en agent coagulant, suivie d'une zone de floculation alimentée en agent floculant et une zone de clarification par différence de densité produisant des eaux traitées d'une part et des boues décantées ou des boues flottées d'autre part. Lors des étapes de coagulation et de floculation, l'eau brute reçoit ainsi des réactifs constitués par des agents coagulant et floculant permettant de provoquer l'agglomération des particules en suspension en agrégats floconneux appelés "flocs". L'étape de clarification est classiquement complétée par l'ajout d'un média accélérant la séparation des flocs de l'eau traitée. Lorsque la clarification est effectuée par flottation, le média injecté est un matériau moins dense que l'eau qui va s'accrocher aux flocs et les entraîner vers la surface. Il peut s'agir 3045592 2 notamment de billes de matériau polymérique ou encore d'eau blanche. L'eau traitée est alors récupérée par soutirage, et les boues flottées sont récupérées en surface. Dans le domaine de la flottation, la plupart des techniques de régulation sont issues de l'industrie minéralurgique ; la stabilisation de la flottation étant réalisée par des techniques 5 dites SISO (pour Single Input Single Output en anglais). On peut par exemple citer le contrôle du niveau de l'écume des mousses flottantes par le débit d'air injecté, ou bien le contrôle de la vitesse d'ajout des réactifs selon la turbidité des eaux brutes en entrée. Lorsque la clarification est effectuée par décantation, le média injecté est un matériau plus dense que l'eau qui va s'accrocher aux flocs et les entraîner vers le fond de la zone de 10 clarification. Il peut s'agir notamment de microsable. L'eau traitée est alors récupérée par surverse, et les boues sont récupérées au fond de la zone. Dans les deux cas, une étape de traitement des boues décantées ou des boues flottées permet de récupérer le média injecté, pour le réinjecter en amont de la clarification. Quand la flottation est effectuée à l'aide d'eau blanche, une recirculation d'eau traitée est effectuée afin 15 d'y injecter de l'air dissous et disposer ainsi de nouveau d'eau blanche. Dans les installations et les procédés de traitement d'eaux par clarification existants, le dosage des différents réactifs et média n'est pas ajusté en temps réel. La connaissance de l'homme de l'art et une étude par jar-test permettent de définir un réglage du dosage par excès pour compenser une éventuelle augmentation de la charge en entrée et garantir la 20 qualité des eaux traitées avec une marge de sécurité. En principe, on observe une surconsommation des réactifs et de média. Or, la consommation de réactifs et de média fait partie des postes générant des coûts opérationnels importants. Un surdosage des réactifs ou de média, pour tenter de garantir la qualité des eaux traitées en cas de hausse importante de la quantité de particules en suspension dans l'eau brute, implique donc des dépenses 25 superflues. De plus, lorsque la charge en particules augmente brusquement en entrée, par exemple lors d'un évènement pluvieux dans le cadre du traitement des eaux de surface pour le traitement d'eau potable, la variation rapide de la qualité de l'eau brute peut également dégrader la qualité des eaux traitées, le traitement étant alors partiellement mis en oeuvre 30 sans assez de réactifs ou de média. 3045592 3 3. Objectifs de l'invention Un objectif de l'invention est de proposer une clarification d'eaux permettant d'optimiser les quantités de réactifs et, le cas échéant de média assistant la floculation, utilisés pour maintenir une qualité prédéterminée d'eau traitée. 5 Un autre objectif de la présente invention est de permettre de faire face à des variations de la qualité des eaux brutes beaucoup plus importantes ou beaucoup plus rapides que celles tolérées par les procédés et installations de l'art antérieur. 4. Exposé de l'invention 10 Ces différents objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de clarification d'eaux par différence de densité comprenant une étape d'ajout auxdites eaux d'un agent coagulant, une étape d'ajout d'un agent floculant, une étape d'ajout d'un média accélérant la clarification, 15 une étape de clarification dans une zone de clarification conduisant à la production de boues et d'eau clarifiée, une étape de traitement desdites boues en vue d'en extraire ledit média, et une étape de recirculation dudit média vers ladite étape d'ajout de média accélérant la clarification ; 20 caractérisé en ce que ledit procédé comprend une régulation du dosage de l'agent floculant lors de l'étape d'ajout d'un agent floculant et une régulation du débit de recirculation lors de l'étape de recirculation dudit média, lesdites régulations étant couplées. Préférentiellement, la régulation du dosage de l'agent floculant comprend une boucle de régulation fermée utilisant une consigne de la turbidité des eaux traitées Kout, et une mesure 25 de la turbidité des eaux traitées Mou, effectuée à une fréquence 1/T1. Avantageusement, la boucle fermée de régulation du dosage de l'agent floculant est de type proportionnel, intégral, dérivée. Egalement avantageusement, la boucle fermée de la régulation du dosage de l'agent floculant est suspendue lorsque la mesure de la turbidité des eaux traitées Mou, est inférieure à 30 un seuil inhibiteur S1. 3045592 4 Préférentiellement, la régulation du dosage de l'agent floculant comprend une boucle de régulation ouverte utilisant une mesure de la dérivée de la turbidité des eaux brutes (dM,,/ dt) effectuée à une fréquence 1/T3. Préférentiellement, la régulation du débit de recirculation est une boucle de régulation 5 fermée utilisant une consigne de concentration de média (Kg) dans la zone de floculation (Z2). Avantageusement, la régulation du débit de recirculation est de type proportionnel, intégral, dérivée. Selon une variante intéressante, la régulation de la consigne de concentration du média Kx dans la zone de floculation comprend une boucle fermée utilisant une consigne de la turbidité 10 des eaux traitées et une mesure de la turbidité des eaux traitées Mou, effectuée à une fréquence 1/T2. Avantageusement, la boucle fermée de la régulation de la consigne de concentration du média Kx dans la zone de floculation est de type proportionnel, intégral, dérivée. Avantageusement, la boucle fermée de la régulation de la consigne de concentration du 15 média Kx dans la zone de floculation est suspendue lorsque la mesure de la turbidité des eaux traitée M.,,t est inférieure à un seuil inhibiteur S2. Préférentiellement, la régulation de la consigne de concentration du média Kx dans la zone de floculation comprend une boucle de régulation ouverte utilisant une mesure de la dérivée de la turbidité des eaux brutes (dM,n/dt) effectuée à une fréquence 1/T3. 20 Préférentiellement, la boucle fermée de la régulation du débit de recirculation utilise une estimation Ex de la concentration de média dans la zone de floculation. Selon une variante de l'invention, le média accélérant la clarification (4) est un matériau lestant. Selon une autre variante de l'invention, le média accélérant la clarification (4) est un 25 matériau flottant. L'invention concerne également une installation de clarification d'eaux par différence de densité comprenant : un réacteur de coagulation dans lequel un agent coagulant est ajouté auxdites eaux, 30 au moins un réacteur de floculation dans lequel est ajouté un agent floculant au moyen d'une pompe de dosage (A), et un média accélérant la clarification, 3045592 5 un clarificateur produisant des boues incluant ledit média d'une part et de l'eau clarifiée d'autre part, des moyens de traitement desdites boues en vue d'en extraire ledit média, et un circuit de recirculation dudit média extrait vers ledit réacteur de floculation 5 comprenant une pompe de recirculation ; caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de contrôle de la pompe de dosage de l'agent floculant ajouté, et des moyens couplés de contrôle de la pompe de recirculation du média extrait dans le circuit de recirculation . 10 5. Figures L'invention, ainsi que les différents avantages qu'elle présente, seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre d'un mode de réalisation de celle-ci, donné à titre simplement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins dans lesquels : 15 la figure 1 représente de façon schématique une installation de traitement d'eaux par clarification ; la figure 2 représente de façon schématique un exemple de régulation du fonctionnement de celle-ci selon la présente invention ; la figure 3 est un graphique indiquant les performances d'une installation mise en 20 oeuvre avec le procédé selon l'invention. 6. Mode de réalisation En référence à la figure 1, de façon classique, une installation de clarification d'une eau à traiter « In » par différence de densité met en oeuvre : 25 un premier réacteur 1 pourvu de moyens la d'amenée d'eau brute à traiter, de moyens lb d'ajout d'un agent coagulant à partir d'un réservoir lc d'agent coagulant et d'un agitateur ld ; un deuxième réacteur 2 délimitant une zone de floculation, pourvu de moyens d'ajout 2b d'agent floculant à partir d'un réservoir 2c d'agent floculant incluant 30 une pompe de dosage A d'agent floculant, de deux agitateurs 2d, 2e, et de moyens d'ajout 3 d'un média accélérant la clarification ; 3045592 6 d'un clarificateur 4 délimitant une zone de clarification, pourvue dans sa partie inférieure de moyens d'évacuation 4a d'eau clarifiée (« out ») par une canalisation d'évacuation 7 et dans sa partie supérieure de moyens de transfert 4b de boues contenant le média flottant vers un décanteur 5 ; 5 un décanteur 5 pourvu de moyens d'agitation 5a permettant de séparer le média flottant du reste des boues, de moyens d'évacuation du reste de boues 5b et de moyens d'évacuation de média flottant 5c ; un réceptacle 8 de collecte dudit média flottant : une boucle 6 de recirculation dudit média flottant incluant une pompe de 10 recirculation B dudit réceptacle 8 vers ladite zone de floculation. Dans ce mode de réalisation, la clarification est une flottation mettant en oeuvre un média flottant constitué de billes de polymère moins denses que l'eau à savoir des microbilles de polystyrène expansées de diamètre et densité respectivement inférieures à 500 µm et 0,05. 15 Selon l'invention, il est proposé de coupler les contrôleurs visant à assurer la qualité des eaux traitées et ceux visant à optimiser la consommation en agent floculant et celle en média flottant. Les organes de commande contrôlés conformément à l'invention sont : - la pompe de dosage A de l'agent floculant ; et 20 - la pompe de recirculation B du média flottant. Dans le présent mode de réalisation, les paramètres mesurés sont : la turbidité des eaux brutes M,, , la turbidité des eaux traitées Mout , la concentration X de média dans la zone de floculation. 25 La turbidité d'une eau est en effet fonction de la quantité de particules qu'elle contient. Les unités habituelles de mesure de la turbidité sont le NTU (pour Nephelometric Turbidity Unit en anglais) ou le FNU (pour Formazine Nephelometric Unit en anglais). Le média ici utilisé étant un média solide, la concentration X de ce média dans la zone de floculation est estimée, via un bilan matière durant l'étape 6 de recirculation grâce à un 30 débitmètre massique. 3045592 7 Cette estimation est régie par les deux équations suivantes, selon que la pompe de recirculation B du média fonctionne (équation 1) ou non (équation 2) : c(t) = cc, (F/T10 oFol TA2rT2o * t/3600 Vf loc (1000* AIT20 - peff) W FIT20 *t 13600 1 1 Peff AIT20 * Vf loc P - media Pmeclia 5 Equation 1 dans laquelle : c(t) est la concentration à l'instant t en média exprimée en mL de média/L ; cc) est la concentration initiale en média définie comme la concentration 10 déterminée de la toute première mise en route de l'installation et ensuite comme la concentration finale de la phase précédente, exprimée en mL de média/L ; t est le temps écoulé depuis le dernier point de concentration calculé, exprimé en secondes ; 15 FIT10, est le débit d'alimentation exprimé en m3/h ; FIT20, est le débit massique de la recirculation du média exprimé en kg/h ; AIT20, est la densité du mélange de « média + eau » réinjecté, exprimée en kg/L Vfioc est le volume de la cuve de floculation dans laquelle le média est réinjecté, 20 exprimé en m3; Peff est la masse volumique de l'eau, exprimée en kg/m3;. Pmedia est la masse volumique du média, exprimée en kg/m3; c(t) = co FIT10 * t!3600 Equation 2 Vfloc 25 dans laquelle 3045592 8 c(t) est la concentration à l'instant t en média exprimée en mL de média/L ; cc) est la concentration initiale en média définie comme la concentration déterminée de la toute première mise en route de l'installation et ensuite comme la concentration finale de la phase précédente, exprimée en mL de 5 média/L ; FIT10, le débit d'alimentation exprimé en m3/h ; Vfioc est le volume de la cuve de floculation dans laquelle le média est réinjecté, exprimé en m3; t est le temps écoulé depuis le dernier point de concentration calculé, exprimé 10 en secondes. En référence à la figure 2, la régulation 10 du dosage A de l'agent floculant comprend une boucle fermée 30 utilisant une consigne de la turbidité des eaux traitées Kou, correspondant à la qualité prédéterminée de l'eau traitée et une mesure de la turbidité des 15 eaux traitées Mout effectuée à une fréquence 1/T1. Cette boucle de régulation 30 permet d'ajuster au mieux le dosage A pour assurer la qualité de l'eau traitée, et de compenser les perturbations dont la dynamique est lente comme, par exemple, la température des eaux. Dans le présent mode de réalisation, la boucle fermée 30 de la régulation 10 du dosage par la pompe A de l'agent floculant est de type proportionnel, intégral, dérivée. 20 La régulation 10 du dosage par la pompe A de l'agent floculant comprend aussi une boucle de régulation ouverte 40 utilisant une mesure de la dérivée de la turbidité des eaux brutes (dM,n/dt) effectuée à une fréquence 1/T3. Cette boucle de régulation permet de réagir aux perturbations de turbidité de l'eau brute « In ». La boucle fermée 30 de la régulation 10 du dosage par la pompe A de l'agent floculant 25 est suspendue lorsque la mesure de la turbidité des eaux traitées Mou, est inférieure à un seuil inhibiteur S1. Cette fonction d'inhibition permet de geler la commande du contrôleur pour éviter un sous-dosage précipité de l'agent floculant en cas de sur-qualité temporaire des eaux traitées. Un tel sous-dosage pourrait en effet provoquer un décrochage de la turbidité des eaux traitées, après un temps de latence correspondant au temps de séjour dans la zone de 30 floculation et la zone de clarification. 3045592 9 La régulation 20 du débit de recirculation B est quant à elle constituée par une boucle de régulation fermée utilisant une consigne de concentration de média Kx dans la zone de floculation et la concentration estimée Ex de média dans la zone de floculation. Cette boucle de régulation 20 permet d'ajuster le débit de recirculation par la pompe B pour apporter la 5 quantité optimale de média en zone de clarification. Cette boucle fermée de la régulation du débit de recirculation par la pompe B est cadencée à une fréquence 1/T1. Elle est de type proportionnel, intégral, dérivée. La consigne de concentration de média Kx dans la zone de floculation subit une régulation 50 qui permet de déterminer la concentration optimale de média en zone de 10 floculation pour assurer la qualité de l'eau traitée. Cette boucle de régulation 50 comprend une boucle fermée 60 utilisant une consigne de la turbidité des eaux traitées Kou, et une mesure de la turbidité des eaux traitées Mou, effectuée à une fréquence 1/T2. Cette boucle de régulation 60 permet d'ajuster au mieux la consigne de concentration de média Kx pour assurer la qualité de l'eau traitée, et de compenser les perturbations dont la dynamique est 15 lente comme, par exemple, la température des eaux. La boucle fermée 60 de la régulation 50 est de type proportionnel, intégral, dérivée. La boucle fermée 60 de la régulation 50 est suspendue lorsque la mesure de la turbidité des eaux traitées Mout est inférieure à un seuil inhibiteur S2. La régulation 50 de la consigne de concentration de média Kx dans la zone de 20 floculation comprend quant à elle une boucle de régulation ouverte 70 utilisant une mesure de la dérivée de la turbidité des eaux brutes (dM,n/dt) effectuée à une fréquence 1/T3. Cette boucle de régulation permet de réagir aux perturbations de turbidité de l'eau brute In. La cadence des différents contrôleurs doit être adaptées à la dynamique des variables prises en compte (Mesure de turbidité des eaux traitées Mout, dérivée de la mesure de la 25 turbidité des eaux brutes (dM,n/dt) et concentration de média dans la zone de floculation) et au temps de séjour dans les différentes zones de l'installation. En pratique les périodes T1, T2 et T3 sont telles que T1 REVENDICATIONS1. Procédé de clarification d'eaux par différence de densité comprenant : une étape d'ajout auxdites eaux d'un agent coagulant, une étape d'ajout d'un agent floculant, une étape d'ajout d'un média accélérant la clarification, une étape de clarification dans une zone de clarification conduisant à la production de boues et d'eau clarifiée, une étape de traitement desdites boues en vue d'en extraire ledit média, et une étape de recirculation dudit média vers ladite étape d'ajout de média accélérant la clarification ; caractérisé en ce que ledit procédé comprend une régulation (10) du dosage de l'agent floculant lors de l'étape d'ajout d'un agent floculant et une régulation (20) du débit de recirculation lors de l'étape de recirculation dudit média, lesdites régulations (10, 20) étant couplées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation (10) du dosage de l'agent floculant comprend une boucle de régulation fermée (30) utilisant une consigne de la turbidité des eaux traitées Kout, et une mesure de la turbidité des eaux traitées Mou, effectuée à une fréquence 1/T1. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la boucle fermée (30) de la régulation (10) du dosage de l'agent floculant est de type proportionnel, intégral, dérivée. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la boucle fermée (30) de la régulation (10) du dosage de l'agent floculant est suspendue lorsque la mesure de la turbidité des eaux traitées Mou, est inférieure à un seuil inhibiteur S1. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la régulation (10) du dosage de l'agent floculant comprend une boucle de régulation ouverte 3045592 16 6. 5 7. 10 8. 15 9. 20 10. 25 11. (40) utilisant une mesure de la dérivée de la turbidité des eaux brutes (dM,,/ dt) effectuée à une fréquence 1/T3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la régulation (20) du débit de recirculation est une boucle de régulation fermée utilisant une consigne de concentration de média (Kg) dans la zone de floculation. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la régulation (20) du débit de recirculation est de type proportionnel, intégral, dérivée. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la régulation (50) de la consigne de concentration du média Kg dans la zone de floculation comprend une boucle fermée (60) utilisant une consigne de la turbidité des eaux traitées Kout, et une mesure de la turbidité des eaux traitées Mout effectuée à une fréquence 1/T2. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la boucle fermée (60) de la régulation (50) de la consigne de concentration du média Kg dans la zone de clarification est de type proportionnel, intégral, dérivée. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la boucle fermée (60) de la régulation (50) de la consigne de concentration du média Kg dans la zone de floculation est suspendue lorsque la mesure de la turbidité des eaux traitée Mout est inférieure à un seuil inhibiteur S2. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la régulation (50) de la consigne de concentration du média Kg dans la zone de clarification comprend une boucle de régulation ouverte (70) utilisant une mesure de la dérivée de la turbidité des eaux brutes (d M,,/ dt) effectuée à une fréquence 1/T3. 3045592 17 12. Procédé selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que la boucle fermée de la régulation (20) du débit de recirculation utilise une estimation Ex de la concentration de média dans la zone de floculation. 5 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le média accélérant la clarification (4) est un matériau lestant. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le média accélérant la clarification (4) est un matériau flottant. 10 15. Installation de clarification d'eaux par différence de densité comprenant : un réacteur de coagulation (1) dans lequel un agent coagulant est ajouté auxdites eaux, au moins un réacteur de floculation (2) dans lequel est ajouté un agent 15 floculant au moyen d'une pompe de dosage (A), et un média accélérant la clarification, un clarificateur (4) produisant des boues incluant ledit média d'une part et de l'eau clarifiée d'autre part, des moyens de traitement (5) desdites boues en vue d'en extraire ledit média, 20 et ; un circuit de recirculation (6) dudit média extrait vers ledit réacteur de floculation (2) comprenant une pompe de recirculation (B); caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de contrôle de la pompe de 25 dosage (A) de l'agent floculant ajouté, et des moyens couplés de contrôle de la pompe de recirculation (B) du média extrait dans le circuit de recirculation (6).