Dispositif de forte capacité pour la clarification et la décantation d'une suspension de matières dans un liquide.
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un dispositif de décantation de matières en suspension dans un liquide, pour fournir d'une part un liquide clarifié et d'autre part une boue. Ce dispositif concerne particulièrement une méthode pour l'alimentation de lits de boue se trouvant dans un décanteur.
La suspension à traiter est un effluent sortant d'un processus industriel et que l'on souhaite recycler à l'amont du processus, ou que l'on souhaite rejeter en aval après décantation dans un environnement publique, ou est également, une eau brute prélevée sur la ressource naturelle destinée à alimenter de tels processus industriels ou des installations de traitement d'eaux urbaines.
Le dispositif de clarification et de décantation d'une suspension de matières dans un liquide, est logé dans une enveloppe d'axe vertical et de forme conique convergente vers le bas, ladite enveloppe comprenant : - une zone de liquides clarifiés primaires à la partie supérieure, associée à un déversoir muni d'un premier orifice de sortie, - une zone de séparation à la partie inférieure contenant une zone d'épaississement munie d'un deuxième orifice de sortie de boues, lequel est situé plus bas que le premier orifice, - une zone de liquides clarifiés secondaires disposée au-dessus de la zone de séparation, - des premiers moyens hydrauliques faisant communiquer la zone intermédiaire avec la zone de séparation,
une partie compacte immergée coaxialement. dans la zone intermédiaire, et comportant un conduit d'alimentation pénétrant dans une chambre de répartition et de floculation communiquant avec la zone de séparation à travers un orifice de liaison, une chambre de clarification située au-dessus d'une paroi de séparation avec la chambre de floculation et de répartition et en liaison avec la zone de séparation à travers un orifice de communication, et un système d'injection de la suspension vers la chambre de clarification.
État de la technique
Il est connu que la décantation de suspensions de matières dans un liquide est réalisée plus avantageusement par des décanteurs ayant un lit de boues floculé, le lit de boue étant alimenté par la suspension en sa partie inférieure. Le lit de boues peut également diffuser dans une chambre de décantation au-dessus et autour de l'orifice de sortie d'un conduit d'alimentation centrale de la suspension.
Le document FR 2494127 décrit un décanteur fonctionnant en deux étages avec un lit de boues floculé contenu dans un récipient de forme circulaire divergente vers le haut, lequel récipient est alimenté en sa partie inférieure par plusieurs écoulements ascendants de suspension en sortie d'une pluralité de conduits verticaux immergés dans le dit récipient, ou selon une variante par un écoulement ascendant de la suspension à travers une fente circulaire ménagée à la base du récipient. La vitesse de l'écoulement décroît de la base du récipient vers le sommet de celui où elle peut atteindre au moins 100 mètres par heure. La plus grande section horizontale de passage de la suspension dans le compartiment représente la moitié, ou seulement le quart de la surface au sol du décanteur en limitant ainsi sa capacité hydraulique. La surface au sol de ce type de décanteurs est importante dans le cas où la suspension présente une faible vitesse de clarification due à la finesse et à la dilution élevée des dites matières.
Le document FR 2181520 décrit un procédé et appareil de traitement des eaux peu chargées en solides, comportant une chambre supérieure de floculation tronconique à sa base avec une sortie de liquides clarifiés, contenant un lit de boue alimenté par un conduit, renfermant de haut en bas, une zone de liquides clarifiés, un lit de boues , une zone de compression, un zone inférieure de séparation conique et un orifice contenant une zone de tassement. Un système de pompage et de régulation permet de recycler les boues de la chambre inférieure, et un système permet d'ajuster la concentration de suspension dans l'une des zones.
Le dispositif FR 2242132 comporte une cuve de traitement alimentée en sa partie inférieure par une suspension recevant une solution de floculant, et les particules floculées tombent au fond pour êtres extraites par un mécanisme rotatif de raclage. Une chambre cylindrique de coagulation contient un cône coaxial divergent vers le bas, et la suspension avec le floculant alimentent tangentiellement le dispositif entre la chambre et le cône. Il en résulte un écoulement avec un mouvement tourbillonnaire ascendant. La chambre est partiellement couverte en sa partie supérieure par un cylindre coaxial ouvert à ses deux extrémités. Les flocons déjà formés diffusent radialement dans la chambre inférieure, et les particules fines ont un écoulement ascendant pour rejoindre un dispositif de viroles à plateaux inclinés.
Les liquides sont extraits par des conduites immergées et les solides descendent sur les plateaux. Une partie de la suspension est recyclée dans une autre chambre. Une telle structure risque de provoquer un ensablage de la base de la chambre.
Le document GB 2274103 décrit un procédé de clarification et d'épaississement d'une suspension, comportant une chambre supérieure de préfloculation de forme conique divergente puis conique convergente vers le bas, adossée à une chambre de clarification par un raccordement conique divergent. La chambre est alimentée tangentiellement par la suspension, et se termine à sa base par un conduit ouvert, entouré par une chambre cylindrique coaxiale, laquelle est entourée par une seconde chambre coaxiale tronconique. La suspension préfloculée à écoulement descendant en sortie du conduit subit un changement de direction, en rencontrant une plaque, l'écoulement devenant d'abord ascendant dans l'une des chambres, puis à nouveau descendant dans l'autre chambre. Un
système de plaques perforées ménage un orifice qui alimente un lit de boues situé entre la prise de liquides et la partie inférieure tronconique de l'appareil de traitement. Les liquides sont éliminés à la partie supérieure de l'appareil de traitement, et les flocons se densifient dans les chambres sous l'effet de la turbulence crée par les changements de direction des . écoulements.
Le document US 5800715 mentionne un système de clarification d'une suspension comprenant une première zone supérieure de liquides clarifiés, et une zone inférieure de séparation ayant un orifice de sortie des boues. Ces deux zones étant séparées par une barrière imperméable, et une chambre intermédiaire ouverte à ses deux extrémités, contient une lit de boues, surmonté d'un cylindre dont la sortie est située au dessus d'une séparation. Le rapport hauteur sur section des zones intermédiaires, qui sont des chambres de clarification à l'intérieur desquelles se forme un lit de boues, doit être important pour y dissiper l'énergie nécessaire à la floculation de la suspension y entrant par leurs orifices inférieurs selon un écoulement ascendant. Il en résulte une élévation importante des chambres de la zone intermédiaire. Un autre inconvénient est la formation d'un écoulement à contre courant de l'écoulement principal, qui entraîne les flocons formés dans les chambres selon un flux descendant avec un risque de turbulence susceptible de casser les flocons. La perte en ligne des chambres augmente si le débit de suspension les traversant augmente, réalisant ainsi une dérivation autorégulée de suspension dans la zone de séparation. Le faible coefficient de perte de charge des chambres, ne garantit pas la répartition uniforme du débit de suspension s 'écoulant de manière ascendante dans les chambres. La surface cumulée des sections horizontales des chambre 40 reste relativement faible ce qui impose à l'appareil d'avoir des grandes surfaces au sol à débit de suspension équivalente si la suspension présente de faibles vitesses de séparation dans les chambres.
Le document GB 630505 décrit une méthode pour obtenir une zone de fluide calme dans une chambre supérieure d'un appareil de traitement comprenant en plus une chambre inférieure en régime agité. Les deux chambres sont séparées par un diaphragme laissant passer la suspension à traiter selon un écoulement ascendant de la chambre inférieure à la
chambre supérieure. Un dispositif d'alimentation de la suspension débouche dans la chambre inférieure, dont la sortie est située sous le diaphragme. La composante du jet immergé de suspension est essentiellement verticale ascendante, avec un risque de turbulences à sa sortie dans le fluide sus jacent venant perturber les écoulements de la suspension dans la chambre supérieure. La répartition non homogène de la suspension dans la chambre inférieure fait que le lit de boue ne fonctionne pas de manière optimisée, l'accumulation de boues dans les éléments divergents venant encore accentuer ce phénomène d'instabilité du lit de boues. Objet de l'invention
L'objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif pour la clarification et la décantation d'une suspension de matières dans un liquide, ayant une capacité de traitement élevée avec une répartition homogène de la suspension à la sortie de l'injection, et sans colmatage interne.
Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que la partie compacte comporte des deuxièmes moyens hydrauliques aptes à diminuer la vitesse de la suspension sans dissipation turbulente par le système d'injection dans la partie inférieure de la chambre de clarification, et des cheminées de communication ascendante entre les zones de liquides clarifiées secondaires et primaires. La zone de séparation renferme un lit de boues secondaires entre la zone de liquides clarifiés secondaires, et la zone d'épaississement. La chambre de répartition et de floculation possède une section horizontale supérieure à celle de la chambre de clarification. Il en résulte une répartition homogène de la suspension à la sortie du système d'injection, et un autonettoyage de la surface inférieure de la chambre de clarification. Toutes les matières en suspension pénétrant dans la chambre de clarification sont entraînées par l'écoulement ascendant en provenance du système d'injection.
Selon un mode de réalisation préférentiel, l'extrémité inférieure du conduit d'alimentation est dotée d'un système de répartition hydraulique de la suspension, lequel est constitué par
une pluralité de tuyauteries ou répartiteurs dirigées vers la chambre de répartition et de floculation. Le système d'injection comporte des inj ecteurs supportés sur la paroi de séparation, et aptes à entraîner par un courant ascendant toutes les matières en suspension pénétrant dans la chambre de clarification, indépendamment du débit de la suspension circulant dans le conduit. Les tuyauteries du système de répartition, et les inj ecteurs du système d'injection sont avantageusement recourbés en U de manière à rejeter les flux perpendiculairement aux parois qui les supportent. Les orifices de sorties des tuyauteries et des inj ecteurs sont séparés des parois par une distance prédéterminée, de préférence inférieur à dix fois le diamètre des orifices d'entrée. Les orifices de sortie de deux inj ecteurs adjacents sont également séparés par une distance pré déterminée, de préférence égale à au moins cinq fois le diamètre d'entrée de ces injecteurs. Les cheminées de transfert possèdent des orifices d'entrée situés dans la zone de liquides clarifiés secondaires, et des orifices de sortie agencés au-dessus du niveau supérieur de la chambre de clarification.
La chambre de répartition et de floculation est dotée d'une paroi annulaire dont rextrémité inférieure est située sous le niveau de sortie de l'orifice de liaison. L'extrémité inférieure de la paroi annulaire est immergée dans la zone de séparation de l'enveloppe de manière à alimenter le lit de boues secondaires. Description sommaire des dessins
D'autres avantages, caractéristiques et particularités de l'invention ressortiront de la description suivante d'exemples de réalisation préférés et des dessins joints dans lesquels :
- La figure 1 représente une vue du dispositif de l'invention selon une coupe passant par l'axe vertical de la dite partie compacte du dispositif de traitement.
- La figure 2 représente une vue du système d'injection de la suspension à la base du lit de boues floculé primaire selon une coupe verticale à échelle agrandie passant par l'axe de deux injecteurs voisins.
Description de modes particuliers de réalisation
En référence aux figures, une enveloppe 119 de forme cylindrique en sa partie supérieure et de forme conique en sa partie inférieure, comporte à sa partie supérieure une surface libre à l'atmosphère, et une sortie F4 des liquides clarifiés. Elle est dotée à sa partie inférieure d'une chambre de décantation et d'une sortie 115 (flècheF6) des boues épaissies. La chambre de décantation comporte à sa partie supérieure un lit de boues secondaire 124 et à sa partie inférieure une zone d'épaississement 103.
Une partie compacte du dispositif de l'invention est totalement immergée dans la partie médiane de l'enveloppe 119 avec au moins une entrée FI de la suspension à traiter et au moins une entrée F9 de solution diluée de floculant ou de coagulant. Une entrée additionnelle F10 est prévue dans l'enveloppe 119 pour injecter dans la chambre de décantation, une solution diluée de floculation/coagulation.
Un conduit 101 vertical d'alimentation de la suspension selon F2 est immergé dans la partie centrale d'une chambre de répartition et de floculation 105. Il comporte en sa partie supérieure un adducteur 120 recevant la suspension à traiter selon le flux FI, et au moins un orifice 102 à sa partie inférieure. Un système de répartition de la suspension est supporté par la paroi inférieure du conduit 101. Des moyens d'injection de floculant 106 sont prévus pour injecter par le haut du conduit 101 une solution diluée de floculant/coagulant selon F9 dans la suspension à traiter en amont dudit système de répartition.
La chambre de répartition et de floculation 105 constitue un premier étage de traitement ayant en sa partie supérieure une paroi 127, et comportant de haut en bas une première partie divergente vers le bas en continuité avec une chambre de clarification sus jacente, une deuxième partie cylindrique, et une troisième partie conique convergente vers le bas se terminant par au moins un orifice 123 et un déflecteur 118 situé sous l'orifice 123. La paroi 127 horizontale ou légèrement conique comporte au moins un orifice 211 ou une pluralité d'orifices 211 répartis sur toute la surface de la paroi, et un orifice central 113 de passage
du conduit 101. La paroi 127 sépare la chambre de clarification 112 de la chambre de répartition 105.
La chambre de clarification 112 de forme cylindrique présente la même surface que la dite paroi 127, et est située en continuité vers le haut au dessus de la chambre de répartition et de floculation 105. Elle contient un lit de boues primaire floculé engendrant un écoulement ascendant Fi l, et constitue un deuxième étage de traitement produisant une boue pré épaissie et un liquide clarifié dans une zone 121 au dessus de la dite boue pré - épaissie.
Un système d'injection de la suspension dans la chambre de clarification 112, comporte des injecteurs 111 supportés par la paroi 127, et faisant ainsi communiquer dans le sens de l'écoulement, la chambre de répartition et de floculation 105 sous jacente avec la chambre de clarification 112 sus jacente. Un système de transfert 116 de liquides clarifiés selon la direction du flux F7 relie la base de la partie compacte avec la partie supérieure de la chambre de clarification 112.
Le système de répartition à l'extrémité du conduit 101 est constitué à titre d'exemple d'une pluralité de tuyauteries ou répartiteurs 104 identiques en forme de crosses recourbées en U à leurs extrémités. Les tuyauteries 104 débouchent dans la chambre de répartition et de floculation 105, et produisent des jets de suspension qui sont quasi perpendiculaires à la surface extérieure du conduit 101 en direction d'un écran. Il en résulte une diminution de la vitesse de l'écoulement, lequel se diffuse uniformément dans le volume de la chambre de répartition et de floculation 105. Ces dispositions contribuent également à favoriser la floculation des matières en suspension. Les orifices de sortie des répartiteurs 104 sont situés à une distance de l'écran constitué par la paroi externe du conduit 101, telle que cette distance soit inférieure ou égale à dix fois le diamètre d'entrée des tuyauteries 104. Il en résulte une répartition homogène de la suspension à traiter au sommet de la chambre de répartition 105 sur la surface inférieure de la paroi 127 avec formation d'un écoulement vertical ascendant de la suspension à traiter selon le flux F3.
Les injecteurs 111 du système d'injection sont à titre d'exemple des tuyauteries en forme de crosses recourbées en U à leurs extrémités. Ils traversent la paroi 127 au travers des orifices 211, et leurs orifices de sortie 212 sont situés dans la chambre de clarification 112. La perte de charge des tuyauteries 111 est suffisante pour obtenir une égale répartition des débits de suspension les traversant engendrant des flux F 12 sur toute la surface de la chambre de clarification 112 sus jacente à la sortie des orifices 212. Les orifices d'entrée 211 sont répartis uniformément sur toute la surface de la paroi 127, par exemple selon une maille carrée ou triangulaire. La distance horizontale séparant deux des orifices de sortie 212 de deux injecteurs 111 voisins est au moins égale à cinq fois le diamètre intérieur des orifices de 211. Ces dispositions permettent au lit de boues primaire d'avoir une distribution de vitesses ascendantes verticales homogène (flux Fi l) dans la chambre de clarification 112.
La formation des flocons est fonction de la nature des particules à traiter et des floculants et /ou des coagulants utilisés. Chaque orifice d'entrées 211 des tuyauteries 111 et /ou 104, peut ainsi être équipé d'un rétrécissement ou d'un diaphragme permettant d'augmenter le taux de turbulence et d'optimiser le taux de formation des flocons.
Selon une autre variante non illustrée sur les dessins, on peut également placer à chaque orifice de sortie 212 des tuyauteries 111 et /ou à chaque orifice de sortie des tuyauteries 104, un élément divergent qui limitera la dissipation turbulente avant que le jet ne frappe les parois qui supportent les tuyauteries.
La distance verticale séparant les orifices de sortie 212 de la paroi 127 est au plus égale à dix fois le diamètre intérieur des orifices 211. Les jets en sortie des orifices 212 selon les flux F 12 sont dirigés perpendiculaires à la paroi 127 faisant écran. La vitesse de suspension traversant les tuyauteries selon F12 est très supérieure à la vitesse moyenne de l'écoulement ascendant de la suspension dans la chambre de clarification selon Fi l.
La surface horizontale de la chambre de clarification 112 est au plus égale à 80 pour cent de la surface de la section horizontale de la partie cylindrique de la chambre de répartition et
de floculation sous jacente 105. Une suspension peut contenir trois types de matières de dimensions croissantes, notamment les particules fines, les particules critiques et les grosses particules. On appelle particules critiques celles qui restent en suspension neutre dans l'écoulement. Les particules fines sont entraînées vers le haut par l'écoulement ascendant, et les grosses particules descendent à contre - courant dans l'écoulement. La vitesse de l'écoulement ascendant de la suspension dans la partie supérieure de la chambre de répartition et de floculation 105 (flux F3) est toujours inférieure à la vitesse de l'écoulement ascendant selon la direction du flux Fi l de la suspension dans la dite chambre de clarification 112 sus jacente. Il en résulte que les particules critiques sont plus petites dans la chambre de répartition 105 sous jacente. Toutes les matières pénétrant dans la chambre de clarification 112 sont entraînées par l'écoulement ascendant selon la direction du flux Fi l. Les autres particules descendent à contre - courant de l'écoulement ascendant F3 dans la chambre de répartition et de floculation 105 sous jacente, et elles passent finalement à travers l'orifice inférieur central 123 selon le flux F5. La chambre de clarification 112 possède sur sa section horizontale 122 au moins une sortie 109 périphérique où sont prélevés de gros flocons, les matières non floculées et un liquide résiduel contenant une faible quantité de matières en suspension.
La paroi 126 possède une extrémité inférieure située sous le niveau de l'orifice de sortie inférieure 123 de la chambre de répartition et de floculation 105, ménageant ainsi un volume entre la paroi 126 et la paroi conique de la chambre de répartition et de floculation 105 à l'extérieur de celle-ci. Le volume communique par des orifices 117 avec les cheminées 116 du système de transfert des liquides clarifiés secondaire. Les cheminées 116 traversent la paroi 127 de séparation, avec leurs orifices d'entrée 117 répartis uniformément sur la paroi conique de la chambre de répartition et de floculation 105. Les orifices de sortie 128 sont situés au dessus du niveau de sortie 122 de la chambre de clarification 112. La perte de charge des cheminées 116 est faible par rapport à la perte de charge du dispositif de transfert des boues pré épaissies selon la direction du flux F8.
L'extrémité inférieure de la paroi 126 est immergée dans la chambre de décantation du dispositif pour y constituer l'orifice d'alimentation 110 d'un second lit de boues dans la zone 124. L'écoulement descendant selon la direction du flux F 8 traverse un passage 108 annulaire aménagé entre l' enveloppe 119 et la partie compacte. Le passage 108 possède un orifice d'entrée 109 situé à la périphérie de la chambre de clarification 112, et un orifice de sortie 110 situé à l'extrémité inférieure de la paroi 126 en périphérie de la dite chambre de décantation sous jacente. L'orifice de sortie 110 alimente ainsi la zone du lit de boues secondaire 124 à la périphérie de la dite chambre de décantation. La chambre de décantation réceptionne par ailleurs les matières plongeantes de la chambre de répartition 105 selon le flux F5 à travers l'orifice 123 et le déflecteur 118 sous jacents. Les boues en sortie de l'orifice circulaire 110 perdent rapidement de leur vitesse, et forment le second lit de boues 124 au sein duquel un liquide résiduel, des flocons et de fines matières montent à travers des flocons formés grâce à un deuxième ajout d'une solution diluée de floculant 107 selon le flux F10. Les matières encore en suspension dans ce liquide, se lient à ces flocons pour accroître le volume de ces derniers pour que le liquide clarifié secondaire 125 arrivant au dessus de ce lit de boues secondaire 124 soit contenu dans le volume constitué par la paroi 126 et la surface conique de la chambre de répartition et de floculation 105 sus- jacente, et soit transféré vers le haut du dispositif à travers les cheminées 116. Il en résulte une meilleure décantation des matières en suspension et à une clarification complémentaire du liquide.
On donne à titre d'exemple, les dimensions d'un dispositif de décantation traitant par exemple un débit de 1000 mètres cube par heure d'une suspension constituée de fines particules de type argileuses et de grosses particules minérales de type sableuses, en suspension dans l'eau à une concentration de plusieurs dizaines de grammes par litre de suspension. La capacité hydraulique du dispositif de traitement est de 80 mètres cube de suspension par heure et par mètre carré de surface au sol. La partie compacte est immergée dans une enveloppe 119 d'un diamètre extérieur de 4 mètres et d'une hauteur de 6.5 mètres. Le conduit 101 d'alimentation centrale communique avec une chambre de répartition et de floculation 105 de volume approximatif 9 mètres cube au moyen de 40 répartiteurs 104
ayant chacun un diamètre de 60 millimètres. La chambre de clarification 112 sus jacente possède un volume de 8 mètres cube, et de surface 9.5 mètres carré, et est équipée de 150 injecteurs 111 de diamètre 30 millimètres ayant leurs orifices de sortie uniformément répartis à 200 millimètres du fond de la dite chambre de clarification selon une maille triangulaire de 240 millimètres de côté. Les vitesses de la suspension selon les flux F 12 en sortie des injecteurs 111 sont par exemple de 2.53 mètres par seconde, et la vitesse ascendante homogène de la suspension dans la chambre de clarification selon la direction du flux Fil est de 0.0277 mètres par seconde. Le volume de la chambre de décantation sous jacente est environ de 20 mètres cube.
Selon une variante, l'arrivée du tube 101 d'alimentation n'est pas aérien, mais constitue une alimentation en charge en étant amenée directement au niveau des répartiteurs 104.
Selon une autre variante, l'orifice de liaison 123 peut être raccordé par une tubulure d'évacuation à l'extérieur de l'enveloppe 119, avec ou sans pompe de reprise. Dans ce cas, le déflecteur 118 est supprimé.