Brevet FR3048967A1 — publié le 20170922

Dispositif de traitement continu des eaux par lit fluidisé La présente invention concerne un dispositif de traitement continu des eaux, dans lequel le traitement est assuré en présence de grains ou "pellets" constitués de minéraux et/ou de bactéries (aérobies ou anaérobies) en état de fluidisation, mais où la formation et la croissance des grains est répartie dans plusieurs réacteurs successifs, chacun étant dimensionné et réglé précisément pour une taille de grains, de plus en plus faible. Le principe de la fluidisation d'un matériau particulaire au travers d'un fluide en écoulement est connu depuis près d'un siècle. Pour une population de particules données, lorsque la vitesse d'écoulement du fluide est suffisante, les forces de gravité et de poussée du flux s'équilibrent et les particules sont mises en suspension dans le fluide. Certains procédés d'adoucissement des eaux sont ainsi basés sur la formation de grains ou "pellets" de carbonate de calcium sur particules fluidisées (ensemencement par du sable par exemple) et modification du pH par un agent alcalin. Un deuxième exemple est l'élimination des phosphates qui est devenue un enjeu important en termes sanitaire et écologique (eutrophisation des eaux). L'aspect économique (épuisement des gisements) est aussi à considérer et favorise aujourd'hui la recherche de solutions techniques et industrielles pour récupérer les phosphates sous une forme cristalline et réutilisable comme engrais, notamment sous forme de struvite ou d'hydroxyapatites. Enfin, d'une manière plus générale, le contact intime entre l'eau à traiter et la phase solide en suspension, autorise non seulement des réactions physico-chimiques spécifiques de cristallisation minérale, mais aussi toute une gamme de traitements biologiques par diverses bactéries (aérobies ou anaérobies selon les techniques). En conclusion, un dispositif de traitement d'eaux à lit fluidisé bien réglé, présente en principe plusieurs avantages spécifiques, avec tout d'abord un mode de fonctionnement continu, une faible emprise au sol et enfin une production de grains ou "pellets", qu'il faut certes purger régulièrement mais qui s'essorent ensuite très facilement. 3048967 On sait que les réacteurs à lits fluidisés ont commencé d'être préconisés pour le traitement de l'eau vers la fin des années soixante (FR 1501912) et de plus en plus souvent ensuite. La généralisation de tels procédés de traitement des eaux se heurtait cependant à un certain nombre de difficultés pratiques : 5 Autant on a besoin de faibles vitesses de fluide dans le haut des réacteurs pour éviter d'entraîner les fines particules en dehors du système, autant à la base du réacteur, le même fluide doit être au contraire introduit à vitesse suffisante de façon à mettre en mouvement les grains les plus massifs. Pour la décarbonatation par exemple, les tailles des particules en 10 suspension se situent souvent entre 0,2 et 1,2 mm. Plus grosses, la surface spécifique réactionnelle devient insuffisante avec le temps de séjour envisagé des eaux : 20-30 mètres/heure (voire 75 ou 100 dans les cas très favorables), plus petites, on se rapproche du fonctionnement de clarificateurs classiques modifiés en cristalliseurs, avec des temps de résidence imposés par une 15 cinétique très lente de précipitation. Il résulte de ces contraintes que les premiers réacteurs fonctionnels à lits fluidisés connus étaient de forme conique inversée, s'évasant de plus en plus vers le haut (Fig.1A) "Principles and Practices of water supply Operations, Water treatment" (1979 American Water works Association). 20 Certains opérateurs tels que la société Ostara Nutrient Recovery Tech. (Canada), continuent d'ailleurs de se référer à ce design (Fig. 1B et FIG.1C) : US 2012/261334, US 2012/261338 et US 2013/334144. 25 Néanmoins, il ne fait aucun doute que l'homogénéité des flux circulants est plus facile à obtenir dans une colonne de section constante, que dans une section de cône, dans laquelle on ne peut pas empêcher que la vitesse du fluide au centre soit quelque peu supérieure à celles près des parois. L'évolution de la technique a donc vu au fil des années, le nombre de sections cylindriques augmenter dans les réacteurs à lit fluidisés : Université de Columbia 30 (Canada) : US 2008/257826 (FIG.2A), et de plus souvent séparées par des sections d'élargissement en forme de tronçons de cônes : "Enhanced struvite recovery from wastewater using a novel cone-inserted fluidized bed reactor" : J. of Envir. Science, 2014, 26, 765-774 (FIG.2B). -2- 3048967 Par ailleurs, le fait de vouloir se rapprocher le mieux possible des 100% de traitement des eaux avec un volume unique à lit fluidisé, a conduit les concepteurs à construire des réacteurs de grandes hauteurs, d'au moins 5 mètres et plus généralement de 8 à 9 mètres (problème de temps de séjour 5 réactionnel), ce qui cantonne ces installations à de grands sites industriels, et qui doivent gérer d'importants volumes. Cela pose également des problèmes de dépense énergétique pour le pompage (énergie gravitationnelle à vaincre). Quelques efforts ont bien été entrepris pour tenter de limiter la hauteur hors tout des installations (au moins au niveau conceptuel) : 10 On connaît tout d'abord le brevet FR 2656295 de O.T.V. (Omnium de Traitement et de Valorisation), publié en 1989, qui propose un réacteur de décarbonatation à lit fluidisé, équipé dans sa partie supérieure, d'une section à lamelles inclinées à 55-60 degrés et qui permet d'abaisser la hauteur totale de 15 l'installation (FIG.3A) Un principe presque similaire a été proposé pour la récupération de phosphates (struvite), avec le matériel à lit fluidisé décrit dans le brevet US 2008/314838 de l'Université du Kansas : 20 L'appareil présente une section tubulaire principale en position verticale et une section supérieure de décantation orientée selon un angle oblique dans le but de faciliter la sédimentation de particules de petites tailles (FIG.3B) Le problème qui se pose avec de telles sections obliques de taille importante et/ou bien avec des lamelles, est justement lié à la sédimentation 25 par trop définitive de particules de tailles non désirées. Il en résulte souvent un encrassement qui nécessite des arrêts périodiques pour entretien. Pire encore, la perte de fluidisation, même locale, fait perdre tous les avantages théoriques du lit fluidisé. Dans les pages qui suivent, nous décrivons un dispositif de traitement 30 continu des eaux selon l'invention, qui permet de résoudre la plupart des problèmes pratiques ou énergétiques résultants de la hauteur excessive des installations à lits fluidisés. -3- 3048967 La présente invention concerne un dispositif de traitement continu des eaux dans lequel le traitement est assuré en présence de grains ou "pellets" constitués de minéraux et/ou de bactéries (aérobies ou anaérobies), mais où la formation et la croissance des grains est répartie dans plusieurs réacteurs 5 successifs en état de fluidisation, chacun étant dimensionné et réglé précisément pour une taille de grains, de plus en plus faible. Ces derniers réacteurs peuvent être de n'importe quel type connu en soi, à partir du moment où les grains sont fluidisés, soit par le flux des eaux à traiter, 10 soit par une agitation mécanique, hydraulique ou gaz (FIG.4 A-B). Le dispositif selon l'invention permet d'éviter l'inconvénient principal de grande hauteur des installations, puisque le temps de séjour total des eaux et donc le traitement est réparti sur plusieurs réacteurs. Selon l'invention, il est premièrement utilisé un réacteur dimensionné et 15 réglé uniquement pour la fluidisation et la récolte des plus gros grains en croissance et qui laisse les particules de tailles inférieures être entraînées vers le réacteur suivant par le fluide. Inversement, dans les volumes réactionnels suivants, les grains fluidisés ayant atteint leur optimum de taille sont systématiquement retournés dans les réacteurs en amont. 20 Les mécanismes de contrôle et d'évacuation des grains définitifs à récolter peuvent ensuite être de plusieurs types connus en soi. Par exemple, il peut s'agir de sondes, de vannes et de chambres, puis par le fait d'un tamisage par exemple, le fluide peut être séparé pour être retourné vers le 25 réacteur. Pour la décarbonatation par exemple, les grosses particules à récolter correspondent à des grains entre 0,4 et 1,5 mm et de préférence entre 0,5 et 1 mm de diamètre. Par contre, un point important selon l'invention est qu'à chaque réacteur, des réactifs peuvent être introduits pour assurer une croissance des grains. Par 30 exemple pour la décarbonatation, il s'agit souvent d'introduire des agents alcalins, alors que pour la récupération de phosphates : hydroxyapatites ou struvite, on cherchera surtout à rétablir dans les eaux à traiter un équilibre stoechiométrique pour les grains à former. Au contraire, un connaisseur de l'art antérieur, constatant l'entraînement de granules hors du réacteur à lit fluidisé, cherchera plutôt à redissoudre ces granules pour limiter le travail de sédimentation du clarificateur final. -4- 3048967 On connaît ainsi plusieurs brevets dans lesquels il est utilisé du gaz carbonique ou des acides minéraux pour redissoudre des granules non souhaités : brevets de la société Ostara Nutrient recovery : US 2012/261334 et US 2012/261338. 5 Un des avantages qui résulte donc du dispositif à plusieurs réacteurs successifs selon l'invention, est qu'il y a très peu de perte de matière au stade de la clarification finale, seulement des particules très fines, et qui résultent uniquement du dernier réacteur, au lieu d'un risque nettement plus important de perte de granules avec un seul réacteur selon l'art antérieur. 10 Le temps de séjour pour le traitement d'eau étant réparti sur plusieurs réacteurs successifs selon l'invention, il est surtout possible de limiter la hauteur de chaque réacteur d'un facteur 2 à 3 par rapport aux réacteurs à lits fluidisé traditionnels, ce qui est de nature à faciliter l'installation du dispositif 15 sur certains sites industriels. La dépense énergétique de pompage pour les eaux à traiter est enfin fortement réduite du fait de cette hauteur globale plus faible du dispositif selon l'invention, et peut encore être minorée par un agencement légèrement décalé dans le plan vertical des réacteurs successifs selon l'invention. La hauteur hors tout des réacteurs décroît au profit de leur diamètre au fur et à mesure que la fluidification s'adresse à des granules de taille de plus en plus 20 faible (FIG.4 A-B). On donne ensuite un exemple d'illustration de l'adoucissement d'une eau de forage selon le mode FIG. 4A (lit fluidisé, puis lit mélangé) : 25 Paramètres Chaux diamètre pH TH°f TAC selon stade consomméegranules final final final Eau brute - - 7,3 55 38 30 Lit fluidisé 100mg/L 0,8mm 7,5 42 24 Lit mélangé 300mg/L 0,35mm 8,8 19 5 -5- REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement continu des eaux dans lequel le traitement est assuré en présence de grains ou "pellets" en état de fluidisation, constitués de minéraux et/ou de bactéries (aérobies ou anaérobies), mais où la formation et la croissance des grains et donc le traitement des eaux est réparti dans plusieurs réacteurs successifs. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les réacteurs successifs sont caractérisés par le fait que les grains sont fluidisés par tout moyen connu, soit par le flux des eaux à traiter, soit par une agitation mécanique, hydraulique ou par gaz. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caracté:risé par le fait que les réacteurs successifs sont dimensionnés et réglés pour la fluidisation d'une population particulière de taille de grain, de sorte que les granules de tailles inférieures sont naturellement entraînées vers le réacteur suivant par les eaux à traiter. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, selon lequel on introduit des réactifs assurant la croissance des grains constitués de minéraux et/ou de bactéries (aérobies ou anaérobies), à l'entrée du dispositif et/ou à l'entrée de chaque réacteur, de sorte que chaque réacteur est capable d'assurer la croissance des grains pour lequel il est dimensionné. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les minéraux issus des eaux traitées selon l'invention sont plus particulièrement des cristaux de carbonates de calcium, des phosphates tels que la struvite, des hydroxyapatites. -6-