FR2785899A1 - Procede de traitement d'eau par flocs lestes integrant un recyclage de materiau granulaire mettant en oeuvre un hydrocyclone correspondant - Google Patents

Procede de traitement d'eau par flocs lestes integrant un recyclage de materiau granulaire mettant en oeuvre un hydrocyclone correspondant Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de floculation-décantation par flocs lestés grâce à un matériau granulaire et une étape d'hydrocyclonage des boues provenant la floculation-décantation dans un hydrocyclone dans lequel un liquide auxiliaire est injecté tangentiellement aux boues essentiellement dans la même direction que celles-ci. L'invention concerne également un hydrocyclone présentant une partie cylindrique de diamètre D pourvue d'une alimentation tangentielle de la suspension à traiter et une partie conique et pourvu d'une chambre cylindrique d'injection d'eau de lavage prévue à la sortie de la partie conique et présentant un diamètre D' compris entre 0. 35 D et 0. 65 D, ladite chambre cylindrique présentant au moins une alimentation tangentielle de liquide auxiliaire selon la même direction d'alimentation que ladite alimentation tangentielle de la suspension à traiter.

Description

Procédé de traitement d'eau par flocs lestés intégrant un recyclage de matériau granulaire mettant en oeuvre un hydrocyclone et hydrocyclone correspondant.
L'invention concerne le domaine du traitement de 1'eau.
Plus précisément, 1'invention se rapporte à un procède de traitement des eaux (en vue de leur épuration ou de leur potabilisation) mettant en oeuvre une étape de floculation-décantation à flocs lestés par un matériau granulaire selon laquelle le lest (matériau granulaire) utilisé est au moins partiellement recyclé.
L'invention concerne également le domaine des hydrocyclones utilisés pour un tel recyclage.
La technique dite de floculation-décantation physico-chimique lestée consiste à ajouter à l'eau brute à traiter des agents de clarification solides, ou lest, comme principalement le sable fin, un polymère et éventuellement d'autres réactifs de coagulation-floculation, puis à autoriser la formation de flocs autour du sable.
Les flocs, qui ont, sans le sable, une densité très proche de l'eau, décantent alors plus vite et permettent d'utiliser une surface de décantation moins importante. Le sable est ensuite récupéré grace à des moyens mécaniques de séparation. Les boues séparées sont alors envoyées vers un traitement spécifique tandis que le microsable, et la partie de boues que n'a pas séparé le traitement de récupération du sable, sont réintroduits en tte du procédé. Une telle technique est décrite notamment dans le brevet français FR 1411792.
Les moyens de séparation mécaniques utilisés pour séparer le sable des boues sont le plus souvent constitués par des classificateurs centrifuges statiques de forme cylindro-conique dénommés hydrocyclones.
Lors d'une telle étape de séparation mécanique, on cherche le plus souvent à réaliser à l'aide d'un hydrocyclone la récupération du sable de taille supérieure à une certaine granulométrie et à séparer ce sable des particules fines, dites"fines" qui l'entourent.
Dans le cas du traitement des eaux, on souhaite récupérer en sousverse le sable d'une taille supérieure à une taille donnée et, en surverse, les boues. On peut souhaiter également laver au mieux les sables recyclés des boues qui les accompagnent, par exemple pour minimiser la probabilité de recyclage de microorganismes indésirables en tte d'un décanteur à floc lesté de sable, ou encore pour éviter, dans le mme type d'appareil, une augmentation excessive de fines dans le décanteur, par exemple lors du traitement de 1'eau d'une rivière en crue.
Les boues peuvent tre dites légères, de densité proche de celle de 1'eau et se répartissent entre surverse et sousverse d'un hydrocyclone usuel dans les mmes proportions que l'eau.
Elles peuvent aussi etre dites lourdes, par exemple argiles et particules minérales, de densité proche de celle du sable, et elles ont alors tendance à se retrouver préférentiellement en sousverse et donc à etre recirculées avec le sable sans qu'elles soient forcément utiles, et en pouvant mme etre nuisibles, au bon fonctionnement des procédés mis en oeuvre.
Il convient de noter que les hydrocyclones n'opèrent pas une coupure nette par rapport à une taille de particules donnée. Pour chaque dimension de particules, on obtient seulement une plus ou moins grande probabilité de les capter.
L'efficacité d'un hydrocyclone est fonction de la masse volumique et du diamètre des éléments présents (sable, boues, argile), de leur concentration, de la viscosité de la suspension, des caractéristiques de l'hydrocyclone, etc..
Les hydrocyclones utilisés le plus couramment sont constitués d'une enceinte cylindro-conique à faible conicité avec une sortie tubulaire de surverse dans l'axe de leur partie cylindrique et une sortie de sousverse à la pointe du cône
La suspension à traiter est injectée sous pression tangentiellement dans la partie cylindrique supérieure. Une ouverture tubulaire dans l'axe de la partie cylindrique permet d'évacuer les surverses. Toujours selon cet axe, une ouverture à la base appelée apex évacue les matières arrivant à la souverse.
L'alimentation en suspension à traiter est effectuée tangentiellement sous pression afin d'obtenir une force centrifuge qui peut atteindre plus de 1000 g. Elle induit la formation d'un vortex composé de deux flux : un flux descendant extérieur qui entraîne les particules les plus grosses et les plus denses (grenues, 1'eau et une faible quantité de fines) vers la sousverse et un flux ascendant central qui évacue la plus grande partie des"fines".
Avec ce type d'hydrocyclone, la surverse est pratiquement débarrassée des grains plus gros qu'une dimension donnée X, dite de coupure, mais une certaine proportion de fines (plus petites que X) est entraînée dans la souverse. La sousverse n'est ainsi jamais complètement débarrassée de fines.
Afin d'améliorer les performances des hydrocyclones, plusieurs évolutions ont été proposées :
Une évolution a consisté à augmenter l'angle de conicité du corps de l'hydrocyclone vers 90 et plus. Cette disposition permet d'augmenter la classification, c'est-à-dire de permettre que deux particules de densité proche et de tailles différentes mais assez proches soient mieux séparées l'une de l'autre.
Une autre évolution a consisté à effectuer une injection d'eau tangentiellement dans le bas du corps d'un hydrocyclone à faible conicité (inférieure à 30 ). Cette technique permet d'améliorer l'élimination des fines qui partent avec la sousverse.
Le principe d'une telle amélioration consiste à remplacer la quantité de suspension eau+boues qui devrait normalement s'écouler par la sousverse par de 1'eau claire.
Les quantités ainsi remplacées sont éliminées par la surverse. Pour ce faire, plusieurs injections successives d'eau sont effectuées au-dessus de l'apex, juste à l'endroit où le flux descendant est contigu au flux montant. Elles sont effectuées tangentiellement dans le sens du vortex externe et permettent un remplacement progressif de la suspension afin de ne pas détruire le flux descendant, ce qui entrainerait une perte de sable par la surverse. Les boues, remplacées progressivement, sont repoussées vers le flux intérieur ascendant et éliminées par la surverse.
Dans les procédés de traitement de 1'eau par floculation-décantation par flocs lestés, on souhaite avoir une perte en sable la plus faible possible. Dans ce but, les hydrocyclones utilisés sont choisis pour le pouvoir de coupure qu'ils offrent, pour une dimension de sable inférieure à celle du microsable utilisé comme lest. Le microsable de lest est ainsi pratiquement recyclé sans pertes en sousverse, tandis que les fines les plus légères se répartissent à peu près proportionnellement au débit d'eau entre surverse et sousverse, et les plus lourdes se répartissent statistiquement en fonction de leur taille par rapport au diamètre de coupure de l'hydrocyclone.
Pour certains types d'applications, le recyclage de fines en sousverse n'est pas souhaité,
soit pour éviter une concentration inopportune de fines denses dans le décanteur, pouvant conduire à des colmatages et à des pertes de sable, par exemple dans le cas du traitement de décantation à floc testé d'une eau de rivière en crue, chargée de limons ;
soit encore pour minimiser le risque de recyclage, avec le sable de lest, de microorganismes indésirables comme les Cryptosporidium ou les Giardia.
Jusqu'à présent, les procédés de décantation-floculation à flocs lestés (de microsable ou de tout autre type de lest granulaire recyclé) utilisent des hydrocyclones"classiques", avec un angle de conicité de l'ordre de moins de 30 , pour séparer les boues en excès en surverse, et le lest granulaire à recycler.
Dans ce type d'hydrocyclone, les fines particules constituant les boues se retrouvent partagées entre sousverse et surverse dans un rapport approximativement égal au rapport des débits d'eau sortant par les mmes orifices, c'est à dire usuellement dans un rapport de l'ordre de 10/90 à 30/70. Les particules de densité proche de celle du sable ont, elles, tendance à tre recirculées en sousverse.
La présente invention a pour objectif de permettre un meilleur nettoyage des matériaux granulaires recyclés lors des opérations de traitement des eaux par décantation à floc lesté. Un tel objectif peut notamment tre recherché pour : -traiter les eaux très chargées en fines, comme par exemple les eaux de rivières en crue ; minimiser le recyclage éventuel d'organismes pathogènes.
Un autre objectif de l'invention est de permettre d'appliquer un traitement particulier au sable et au résidu de boues recyclés, en bénéficiant des bonnes capacités de mise en contact procurées par ce mode d'injection.
Encore un autre objectif de l'invention est de proposer une conception innovante d'un hydrocyclone à injection d'eau dans la sousverse, optimisant les possibilités de nettoyage des sables.
Ces différents objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de traitement d'eau incluant au moins une étape de floculation-décantation par flocs lestés grâce à au moins un matériau granulaire et au moins une étape de traitement par hydrocyclonage d'au moins une partie des boues provenant de ladite étape de floculation-décantation en vue du recyclage d'au moins une partie dudit matériau granulaire contenues dans celles-ci,
caractérisé en ce que ladite étape de recyclage est mise oeuvre dans au moins un hydrocyclone dans lequel un liquide auxiliaire est injecté tangentiellement auxdites boues essentiellement dans la mme direction que celles-ci.
L'invention propose donc d'utiliser dans le cadre d'un procédé de floculation-décantation un type particulier d'hydrocyclone, à savoir un hydrocyclone mettant en oeuvre un injection tangentielle de liquide auxiliaire.
Selon une variante préférentielle, ce liquide auxiliaire est injecté dans une chambre cylindrique d'injection prévue en aval de la chambre conique d'un hydrocyclone à la sortie de celle-ci. Un tel procédé peut tre mis en oeuvre grace à la nouvelle conception d'hydrocyclone qui sera décrite ci-après.
Préférentiellement, ledit liquide auxiliaire est injecté dans ladite chambre cylindrique d'injection selon un débit d'injection compris entre 50% et 200% d'une valeur égale au débit global de la sousverse dudit hydrocyclone moins le débit de matériau granulaire à recycler.
De façon préférée entre toutes, ledit liquide auxiliaire est injecté dans ladite chambre cylindrique d'injection selon un débit d'injection correspondant au débit global de la sousverse dudit hydrocyclone moins le débit de matériau granulaire à recycler.
Le procédé selon l'invention pourra tre mis en oeuvre avec tout type de matériau granulaire. Toutefois, ce matériau granulaire sera préférentiellement un micro-sable de diamètre compris entre 40 et 400 jim, préférentiellement entre 60 et 200 Rm.
Selon une variante préférentielle, ledit liquide auxiliaire est constitué par de 1'eau éventuellement additionnée, de façon continue ou périodique, d'au moins un réactif de nettoyage, de désinfection, ou d'aide à la floculation lestée. Un tel réactif pourra ainsi etre avantageusement choisi dans le groupe constitué par la soude, les acides chlorhydrique, sulfurique, nitrique, phosphorique, citrique, formique, carbonique, 1'eau de javel, le chlore dissous, le dioxyde de chlore, l'ozone gazeux ou dissous, 1'eau oxygénée, les sels d'aluminium ou de fer, les polymères de floculation.
La présente invention concerne également un hydrocyclone spécialement conçu pour tre utilisé dans le procédé décrit ci-dessus mais pouvant aussi etre utilisé pour tout autre application nécessitant la séparation d'un matériau particulaire à partir d'une suspension de celui-ci. Ce nouvel hydrocyclone pourra ainsi tre utilisé en sortie d'un ouvrage de dessablage situé soit en entrée de station soit sur le réseau d'assainissement. Dans une telle configuration, I'hydrocyclone permettra d'améliorer la séparation des sables de dessablage des fines organiques qui les polluent.
L'hydrocyclone selon l'invention présente une partie cylindrique de diamètre
D pourvue d'au moins une alimentation tangentielle de la suspension à traiter et une partie conique se terminant par un apex et est caractérisé en ce qu'il est pourvu d'une chambre cylindrique d'injection d'un liquide auxiliaire prévue à la sortie de ladite partie conique et présentant un diamètre D'compris entre 0.35 D et 0.65 D, ladite chambre cylindrique présentant au moins une alimentation tangentielle de liquide auxiliaire selon la mme direction d'alimentation que ladite alimentation tangentielle de la suspension à traiter.
Préférentiellement, le diamètre D'de ladite chambre cylindrique est compris entre 0.4 D et 0.55 D.
De façon préférée entre toutes, le diamètre d de ladite chambre cylindrique est égal à 0.48 D.
Préférentiellement, ladite partie conique montre un angle a compris entre 30 et 150 avantageusement entre 55 et 80 .
De façon préférée entre toutes, 1'angle a est compris entre 60 et 75 .
Un aspect innovant de l'invention est donc de mettre en oeuvre l'injection de liquide auxiliaire dans une chambre cylindrique raccordée à l'extrémité de l'apex d'un hydrocyclone à grand angle (supérieur à 30 ), suivant une combinaison de caractéristiques jamais encore décrite à la connaissance de la Demanderesse.
Une telle combinaison de caractéristique permet d'évacuer soigneusement toutes les boues par la surverse de l'hydrocyclone quelque soit leur taille, leur forme et leur masse volumique, tout en récupérant quasiment tout le matériau granulaire, le plus propre possible, en sousverse.
Le grand angle de sousverse permet de récupérer le matériau granulaire de granulométrie souhaitée, avec un taux de récupération supérieur à 99% de récupération. En effet, grâce à la coupure plus étroite obtenue, on élimine mieux les boues lourdes comme les argiles.
Les autres boues sont éliminées par l'injection de liquide auxiliaire dans la chambre d'injection. Un tel mode d'injection de liquide auxiliaire n'avait jusqu'ici jamais été proposé à la connaissance de la Demanderesse.
En utilisant un débit d'injection tel que défini ci-dessus, 1'eau chargée de fines entourant le matériau granulaire arrivant dans la chambre d'injection est remplacée par un débit équivalent de liquide auxilaire injecté.
La combinaison inédite de ces trois techniques : sousverse à grand angle, injection d'eau, et utilisation d'une chambre d'injection cylindrique séparée, permet de récupérer en surverse de l'ordre de 90 à plus de 97 % des boues. En comparaison, un hydrocyclone débourbeur classique élimine seulement 80 à 90% des boues.
De plus, le fait de séparer l'hydrocyclone de la chambre d'injection d'eau permet de réaliser correctement la fonction classification dans I'hydrocyclone à grand angle de conicité, et la fonction élimination des fines dans la chambre d'injection où l'eau arrive tangentiellement. Un matériau granulaire propre est ainsi obtenu, plus ou moins concentré ce qui n'est pas du tout gnant dans le cas des applications envisagées.
Enfin, on notera que I'hydrocyclone proposé permet de faciliter la remontée des boues et de minimiser les risques de colmatage des sousverses par excès de boues lourdes dans les matériaux granulaires.
Selon un autre aspect préférentiel, I'hydrocyclone comprend des moyens de raccordement rapide à une source de liquide auxiliaire.
L'invention sera plus facilement comprise grâce à la description qui va suivre d'un mode non limitatif de réalisation d'un hydrocyclone selon celle-ci, en référence aux dessins, dans lesquels :
-la figure 1 représente un tel hydrocyclone en coupe ;
-la figure 2 indique les caractéristiques géométriques des hydrocyclones selon l'invention ;
-la figure 3 représente une installation de traitement d'eau intégrant un hydrocyclone selon les figures 1 et 2.
L'hydrocyclone représenté comprend un corps cylindro-conique 1 comprenant une partie cylindrique 1 a et une partie conique 1 b. Une pièce d'usure 4 termine la partie conique du corps cylindro-conique 1.
Une chambre cylindrique 3 d'injection d'un liquide de nettoyage est associée à la pièce d'usure 4. Elle se termine par une buse de sousverse 5 vissées dans des inserts noyés dans la masse. L'injection de liquide auxiliaire dans la chambre d'injection se fait par une douille cannelée en PVC filetée 12 spécialement conçue pour le raccordement d'un tuyau souple. La chambre 3 est maintenue solidaire du corps 1 par des boulons. La pièce d'usure 4 est insérée à la base du corps 1 et maintenue par la chambre 3. L'étanchéité de l'ensemble chambre plus corps est réalisée par des joints toriques 6 maintenus dans des gorges. Le tube de surverse 2 est solidaire du couvercle du cyclone et est fixé sur le corps 1 par des boulons 10.
L'étanchéité se fait également par des joints toriques 6 maintenus dans des gorges sur le couvercle. Les boulons maintiennent également un couvercle inox 8 qui coiffe le couvercle. Sur ce couvercle inox, on trouve un tube inox solidaire qui permet un raccordement métallique (inox). Cet ensemble inox permet également de rigidifier la partie supérieure du cyclone.
Une bague inox 13 permet le raccordement rapide de l'alimentation qui se fait par simple emboîtement. L'étanchéité entre la bague et l'alimentation du cyclone se fait par des joints toriques maintenus dans des gorges. Une telle fixation est innovante dans le sens où aucune boulonnerie n'est utilisée pour fixer l'alimentation. II en résulte un démontage rapide et simple du cyclone. Ce démontage rapide est également possible grâce à un montage adapté du tube de récupération des surverses. Ce tube est raccordé à l'embout inox solidaire du couvercle inox qui coiffe le cyclone par un simple écrou.
En référence à la figure 2, la géométrie des hydrocyclones selon l'invention peut tre résumé par les proportions relatives :
0.2 < De/D < 0.4 (optimum de 0.28)
0.2 < Do/D < 0.4 (optimum de 0.28)
0.1 < Du/D < 0.3 (optimum de 0.2)
0.4 < ho/D < 0.7 (optimum de 0.6)
0.1 < Ds/D < 0.25 (optimum de 0.17)
0.35 < D'/D < 0.65 (optimum à 0.48)
2.5 < Lt/D < 4.5 (optimum à 3.5)
0.04 < Di/D < 0.12 (optimum à 0.075)
0.35 < Li/D < 0.65 (optimum à 0.5)
2 < L/D < 4 (optimum à 3)
30 < a < 150 (optimums à 60 et 75 )
La chambre d'injection est caractérisée par un diamètre d'admission (Du), par un diamètre de sortie (Ds). Et par son propre diamètre (D').
La conception de la chambre revendiquée, de par sa forme, est totalement différente des dispositions proposées à ce jour. Son diamètre D'crée un élargissement brusque où est entraîné le microsable qui va alors subir un nettoyage.
L'hydrocyclone représenté en référence aux figures 1 et 2 a été mis en oeuvre dans une installation pour le traitement d'eau selon la figure 3.
Cette installation comprend une arrivée d'eau à traiter 11 pourvue des moyens d'adjonction lia d'agent coagulant. Cet eau est acheminée vers trois bacs 12a, 12b, 12c respectivement de coagulation, floculation et maturation montés en série et pourvus de moyens d'agitation. Des moyes 12 permettent de distribuer un polymère floculant 13 dans les bacs 12b et 12c. Un microsable est présent dans le bac 12 b pour lester les flocs formés. Ces bacs sont suivis d'un décanteur 14 d'où 1'eau clarifiée est extraite en 15. Les boues extraites de ce décanteur sont acheminées, grâce à une pompe 17, par une canalisation de recyclage 16 vers un hydrocyclone 1 tel que décrit ci-dessus. Conformément à l'invention, une canalisation 18 d'amenée de liquide auxiliaire vers cet hydrocyclone est prévue. Le microsable nettoyé est évacué de l'hydrocyclone et réacheminé par une canalisation 19 vers le bac de floculation 12b. Les surverses sont évacuées en 20.
Le mode de réalisation de l'invention ici décrit n'a pas pour objet de réduire la portée de l'invention. II pourra donc y tre apporté de nombreuses modifications sans sortir de son cadre.

Claims (14)

  1. caractérisé en ce que ladite étape de recyclage est mise oeuvre dans au moins un hydrocyclone dans lequel un liquide auxiliaire est injecté tangentiellement auxdites boues essentiellement dans la mme direction que celles-ci.
    REVENDICATIONS 1. Procède de traitement d'eau incluant au moins une étape de floculationdécantation par flocs lestés grâce à au moins un matériau granulaire et au moins une étape de traitement par hydrocyclonage d'au moins une partie des boues provenant de ladite étape de floculation-décantation en vue du recyclage d'au moins une partie dudit matériau granulaire contenues dans celles-ci,
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit liquide auxiliaire est injecté dans une chambre cylindrique d'injection prévue en aval de la chambre conique d'un hydrocyclone à la sortie de celle-ci.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit liquide auxiliaire est injecté dans ladite chambre cylindrique d'injection selon un débit d'injection compris entre 50% et 200% d'une valeur égale au débit global de la sousverse dudit hydrocyclone moins le débit de matériau granulaire à recycler.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit liquide auxiliaire est injecté dans ladite chambre cylindrique d'injection selon un débit d'injection correspondant au débit global de la sousverse dudit hydrocyclone moins le débit de matériau granulaire à recycler.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit matériau granulaire est un micro-sable.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ledit liquide auxiliaire est constitué par de 1'eau éventuellement additionnée, de façon continue ou périodique, d'au moins un réactif de nettoyage, de désinfection, ou d'aide à la floculation lestée.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel ledit réactif est choisi dans le groupe constitué par la soude, les acides chlorhydrique, sulfurique, nitrique, phosphorique, citrique, formique, carbonique, 1'eau de javel, le chlore dissous, le dioxyde de chlore, l'ozone gazeux ou dissous, I'eau oxygénée, les sels d'aluminium ou de fer, les polymères de floculation.
  8. 8. Hydrocyclone spécialement conçu pour tre utilisé dans un procédé selon l'une des revendications 2 à 7 présentant une partie cylindrique de diamètre D pourvue d'au moins une alimentation tangentielle de la suspension à traiter et une partie conique caractérisé en ce qu'il est pourvu d'une chambre cylindrique d'injection de liquide auxiliaire prévue à la sortie de ladite partie conique et présentant un diamètre D'compris entre 0.35 D et 0.65 D, ladite chambre cylindrique présentant au moins une alimentation tangentielle de liquide auxiliaire selon la mme direction d'alimentation que ladite alimentation tangentielle de la suspension à traiter.
  9. 9. Hydrocyclone selon la revendication 8 caractérisé en ce que le diamètre D'de ladite chambre cylindrique est compris entre 0.4 D et 0.55 D.
  10. 10. Hydrocyclone selon la revendication 9 caractérisé en ce que lediamètre D'de ladite chambre cylindriquee st égal à 0.48 D.
  11. 11. Hydrocyclone selon la revendication 10 caractérisé en ce que ladite partie conique montre un angle a compris entre 30 et 150 .
  12. 12. Hydrocyclone selon la revendication 11 caractérisé en ce que 1'angle a est compris entre 55 et 80 .
  13. 13. Hydrocyclone selon la revendication 12 caractérisé en ce que l'angle a est compris entre 60 et 75 .
  14. 14. Hydrocyclone selon l'une des revendications 8 à 13 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de raccordement rapide à une source de liquide auxilaire.
FR9814686A 1998-11-18 1998-11-18 Procede de traitement d'eau par flocs lestes integrant un recyclage de materiau granulaire mettant en oeuvre un hydrocyclone correspondant Expired - Lifetime FR2785899B1 (fr)

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