WO2017108715A1 - Procédé et installation de clarification d'eaux intégrant une régulation - Google Patents

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turbidity
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Romain GANDRE
Cédric GUEFFIER
Daniel Jung
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Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS
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    • C02F1/5209—Regulation methods for flocculation or precipitation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F2301/046—Recirculation with an external loop
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    • C02F2305/12—Inert solids used as ballast for improving sedimentation

Definitions

  • the invention relates to water treatment processes and more particularly to the clarification thereof by density difference, in the presence of a media assisting said clarification.
  • clarification which consists of the removal of suspended particles.
  • reagents coagulant, flocculant
  • flocs of treated water In this case we speak of assisted flocculation.
  • the quality of a water to be treated can vary greatly over time, so it must be frequently evaluated in order to adapt the treatment in order to obtain a treated water having a predetermined quality.
  • the present invention relates more specifically to the regulation of clarification processes for observing this predetermined quality.
  • clarification water treatment processes implement a first coagulation zone supplied with raw water and coagulating agent, followed by a flocculation zone fed with flocculating agent and a clarification zone with density difference producing treated water on the one hand and sludge or sludge on the other hand.
  • the raw water thus receives reagents constituted by coagulating and flocculating agents making it possible to cause the agglomeration of the particles in suspension in flocculent aggregates called "flocs".
  • the clarification step is conventionally completed by the addition of a media accelerating the separation of the flocs from the treated water.
  • the injected media is a less dense material than the water that will cling to the flocs and drag them to the surface. It could be in particular beads of polymeric material or white water.
  • the treated water is then recovered by withdrawal, and the floated sludge is recovered on the surface.
  • the injected media is a denser material than the water that will cling to the flocs and drag them towards the bottom of the clarification zone. It may be in particular microsable.
  • the treated water is then recovered by overflow, and the sludge is recovered at the bottom of the zone.
  • a sludge or sludge treatment step makes it possible to recover the injected media, to reinject it upstream of the clarification.
  • a recirculation of treated water is carried out in order to inject dissolved air and thus again have white water.
  • An object of the invention is to provide water clarification for optimizing the amounts of reagents and, where appropriate, flocculating media used to maintain a predetermined quality of treated water.
  • Another object of the present invention is to cope with variations in the quality of raw water much larger or much faster than those tolerated by the processes and facilities of the prior art.
  • said method comprises a regulation of the dosage of the flocculating agent during the step of adding a flocculating agent and a regulation of the recirculation flow rate during the step of recirculation of said media, said regulations being coupled .
  • the regulation of the dosage of the flocculating agent comprises a closed regulation loop using a setpoint of the turbidity of the treated water K out , and a measurement of the turbidity of the treated water M out carried out at a frequency 1 / Ti.
  • the closed loop regulating the dosing of the flocculating agent is of proportional, integral, derivative type.
  • the closed loop of the regulation of the dosage of the flocculating agent is suspended when the measurement of the turbidity of the treated water M out is below an inhibiting threshold Si.
  • the regulation of the dosage of the flocculating agent comprises an open regulation loop using a measurement of the derivative of the turbidity of the raw water (dM in / dt) carried out at a frequency 1 / T 3 .
  • the regulation of the recirculation flow rate is a closed regulation loop using a media concentration setpoint (K x ) in the flocculation zone [i] (Z 2 ).
  • the regulation of the recirculation flow rate is proportional, integral, derivative type.
  • the regulation of the media concentration setpoint K x in the flocculation zone comprises a closed loop using a setpoint of the turbidity of the treated water K out , and a measurement of the turbidity of the treated water M out carried out at a frequency 1 / T 2 .
  • the closed loop of the regulation of the concentration concentration of the media K x in the flocculation zone is proportional, integral, derived.
  • the closed loop of the regulation of the media concentration set point K x in the flocculation zone is suspended when the measurement of the turbidity of the treated water M out is below an inhibiting threshold S 2 .
  • the regulation of the concentration concentration of the media K x in the flocculation zone comprises an open regulation loop using a measurement of the derivative of the turbidity of the raw water (dM in / dt) carried out at a frequency 1 / T 3 .
  • the closed loop of the recirculation flow regulation uses an estimate E x of the concentration of media in the flocculation zone.
  • the media accelerating the clarification (4) is a material weighing.
  • the media accelerating the clarification (4) is a floating material.
  • the invention also relates to a density difference water clarification plant comprising:
  • a coagulation reactor in which a coagulating agent is added to said water, at least one flocculation reactor in which a flocculating agent is added by means of a dosing pump (A), and a media accelerating the clarification, a clarifier producing sludge including said medium on the one hand and clarified water on the other hand,
  • Figure 1 schematically shows a water treatment plant by clarification
  • Figure 2 schematically shows an example of regulation of the operation thereof according to the present invention
  • Figure 3 is a graph showing the performance of an installation implemented with the method according to the invention.
  • a clarification plant for a water to be treated "In" by difference in density uses:
  • a first reactor 1 provided with means 1 for supplying raw water to be treated, means 1b for adding a coagulating agent from a reservoir 1a of coagulating agent and a stirrer 1d;
  • a second reactor 2 delimiting a flocculation zone, provided with means 2b for adding flocculant from a reservoir 2c of flocculating agent including a dosing pump A flocculating agent, two agitators 2d, 2e, and adding means 3 a media accelerating clarification;
  • a clarifier 4 delimiting a clarification zone, provided in its lower part with evacuation means 4a of clarified water ("out”) through an evacuation pipe 7 and in its upper part of transfer means 4b sludge containing the floating media to a decanter 5;
  • a decanter 5 provided with stirring means 5a for separating the floating media from the rest of the sludge, means for evacuating the remainder of sludge 5b and floating media evacuation means 5c;
  • a receptacle 8 for collecting said floating medium :
  • a loop 6 for recirculating said floating medium including a recirculation pump B of said receptacle 8 to said flocculation zone.
  • the clarification is a flotation using a floating medium consisting of polymer beads less dense than water ie expanded polystyrene microbeads of diameter and density respectively less than 500 ⁇ and 0.05.
  • controllers controlled in accordance with the invention are:
  • the dosing pump A flocculating agent
  • the measured parameters are:
  • the turbidity of a water is indeed a function of the quantity of particles it contains.
  • the usual units for measuring turbidity are the NTU (for Nephelometric Turbidity Unit in English) or the FN U (for Formazine Nephelometric Unit in English). Since the medium used here is a solid medium, the concentration X of this medium in the flocculation zone is estimated via a material balance during step 6 of recirculation by means of a mass flow meter.
  • c (t) is the concentration at time t in media expressed in m L of media / L;
  • c 0 is the initial media concentration defined as the determined concentration of the very first start-up of the installation and then as the final concentration of the previous phase, expressed in m L of media / L;
  • t is the elapsed time since the last calculated concentration point, expressed in seconds
  • FIT10 is the feed rate expressed in m 3 / h
  • FIT20 is the mass flow rate of media recirculation expressed in kg / h;
  • AIT20 is the density of the mixture of "media + water” reinjected, expressed in kg / L fioc is the volume of the flocculation tank in which the media is reinjected, expressed in m 3 ;
  • Peff is the density of water, expressed in kg / m 3 ;
  • Pmedia is the density of the media, expressed in kg / m 3 ;
  • c (t) is the concentration at time t in media expressed in m L of media / L;
  • c 0 is the initial media concentration defined as the determined concentration of the very first start-up of the installation and then as the final concentration of the previous phase, expressed in m L of media / L;
  • V f oc is the volume of the flocculation tank in which the media is reinjected, expressed in m 3 ;
  • t is the elapsed time since the last calculated concentration point, expressed in seconds.
  • regulation of the dosing A of the flocculating agent comprises a closed loop 30 using a setpoint of the turbidity of the treated water K out , corresponding to the predetermined quality of the treated water and a measurement of the turbidity of treated water M out performed at a frequency 1 / Ti.
  • This regulation loop 30 makes it possible to better adjust the dosage A to ensure the quality of the treated water, and to compensate for disturbances whose dynamics are slow, such as, for example, the temperature of the water.
  • the closed loop 30 of the regulation 10 of the pump A dosing of the flocculating agent is proportional, integral, derivative type.
  • Control of the pump A dosage of the flocculant also includes an open control loop 40 using a measurement of the raw water turbidity derivative (dM in / dt) performed at a frequency of 1 / T 3 .
  • This control loop makes it possible to react to the turbidity disturbances of the raw water "In”.
  • the closed loop 30 of the regulation 10 of the dosing by the pump A of the flocculating agent is suspended when the measurement of the turbidity of the treated water M out is less than an inhibit threshold Si.
  • This inhibition function makes it possible to freeze the control of the controller to avoid a precipitated underdosing of the flocculating agent in case of temporary over-quality of the treated water. Such an underdosing could indeed cause a stall in the turbidity of treated water, after a lag time corresponding to the residence time in the flocculation zone and the clarification zone.
  • the regulation of the recirculation flow B is in turn constituted by a closed regulation loop using a media concentration setpoint K x in the flocculation zone and the estimated concentration E x of media in the flocculation zone.
  • This regulation loop 20 makes it possible to adjust the recirculation flow rate by the pump B to bring the optimum quantity of media into the clarification zone.
  • This closed loop of the regulation of the recirculation flow rate by the pump B is clocked at a frequency 1 / Ti. It is proportional, integral, derived.
  • the media concentration setpoint K x in the flocculation zone is regulated 50 to determine the optimum concentration of media in the flocculation zone to ensure the quality of the treated water.
  • This control loop 50 comprises a closed loop 60 using a setpoint of the turbidity of the treated water K out and a measurement of the turbidity of the treated water M out performed at a frequency 1 / T 2 .
  • This regulation loop 60 makes it possible to adjust at best the media concentration setpoint K x to ensure the quality of the treated water, and to compensate for disturbances whose dynamics are slow, such as, for example, the temperature of the water.
  • the closed loop 60 of the regulation 50 is proportional, integral, derivative type.
  • the closed loop 60 of the regulation 50 is suspended when the measurement of the turbidity of the treated water M out is below an inhibiting threshold S 2 .
  • the regulation 50 of the media concentration setpoint K x in the flocculation zone comprises an open regulation loop 70 using a measurement of the derivative of the turbidity of the raw water (dM in / dt) carried out at a frequency of 1 / T 3 .
  • This regulation loop makes it possible to react to the turbidity disturbances of the raw water In.
  • the rate of the different controllers must be adapted to the dynamics of the variables taken into account (Measurement of turbidity of the treated water M out , derived from the measurement of the turbidity of the raw water (dM in / dt) and concentration of media in the zone of flocculation) and the residence time in the different areas of the installation.
  • the periods Ti, T 2 and T 3 are such that Ti ⁇ T 2 ⁇ T 3 .
  • Ti 10 seconds
  • T 2 30 seconds
  • T 3 60 seconds as periods of measurement or estimation of the different variables taken into account in the regulations.
  • Other values for periods, or other ratios between different periods may naturally be chosen within the scope of the invention.
  • the concentration of media E x in the flocculation zone can be measured indirectly, for example be obtained through a material balance and the use of a mass flow meter placed on the recirculation pipe.
  • step 6 a small part of the media accelerating the clarification can remain in the sludge, and not re-circulate during step 6 recirculation. It may happen that the amount of available media becomes insufficient. In this case, although the recirculation step 6 is at its maximum, the rate E x of media in the flocculation zone will not reach the setpoint K x desired by the control system. It is then easy to alert the operator or to control the addition of media in the installation as soon as the recirculation frequency is saturated for a long time.
  • the installation represented in FIG. 1 has thus been implemented on the one hand by integrating a regulation according to the invention (regulation mode), as described above, and on the other hand with an operator regulation (mode Operator). In these two modes, the water supply rate to be treated was maintained at 30 m / h.
  • regulation mode regulation according to the invention
  • mode Operator operator regulation
  • the concentration of floating media present in the flocculation tank was set at 0.47 mL of beads / L.
  • this concentration was set initially and was not subsequently modified by the operator.
  • the regulation mode according to the present invention, the recirculation flow rate by the pump B of this material has been regulated so as to keep the concentration of media floating permanently as close as possible to 0.47 m L of beads / L .
  • the water to be treated presented a low turbidity (8 NTU during the test in Regulator mode and 6 NTU during the test in Operator Mode) allowing easy obtaining of quality treated water.
  • FIG. 3 shows the evolution over time, during the control mode test according to the invention, of the following parameters:
  • the treated water was considered to have degraded quality when its turbidity exceeded 2 NTU for more than 2 hours.
  • the maximum turbidity observed on treated water is respectively 3.6 and 61.2 NTU in Control and Operator Mode.
  • the ratio of the treatment rate to the incoming charge is 0.014 mg / L / NTU in Control mode and 0.025 mg / L / NTU respectively in Operator mode. This dosage is better adjusted in Regulation Mode.
  • the rate of flocculant reagent varies in regulation mode and reaches a maximum of 0.32 mg / L to satisfy the setpoint of 2 NTU.
  • the amount of flocculant dispensed is approximately the same in both modes (9.3 g in regulation mode and 9.1 g in operator mode) corresponding to almost identical treatment ratios (0.155 g / m 3 in Control mode and 0.151 g / m 3 in Operator mode) but the control mode allows the turbidity target to be observed 98.7% of the time whereas in Operator mode this setpoint is respected only 63.3% of the time.
  • Control Mode By comparing the amount of reagent consumed to the load (Treatment / Charge ratio), the Control Mode stands out favorably (2.0 vs 3.7mg / cumulative incoming NTU) because the load to be reduced is greater during the test. Control mode, the duration of the disturbance being longer.
  • the quantity of flocculant consumed in regulation mode appears to be lower (29.3g) than in the Operator mode (36.3). , 0g).
  • the regulation mode according to the invention therefore makes it possible to consume less flocculating reagent. This results in lower ratios (treatment ratio on volume of treated water, treatment-to-load ratio).
  • the method according to the invention made it possible to continuously adjust the recirculation flow rate of the pump B to maintain the floating media setpoint closest to the setpoint.
  • the flocculation may be assisted by a ballast, for example microsand.
  • the flocculation may also be assisted by injection of depressurized air into the water.
  • the amount of air injected must then be controlled because the injection step is energy intensive and therefore expensive.
  • the concentration of air in the clarification zone must be regulated because too high a concentration can lead to gaseous embolism of downstream systems, such as filters.
  • the invention applies perfectly to this type of clarification, the dissolved air injection rate being regulated in the same way as the flow B recirculation of a solid media. Only the material balance for the estimation of the white water concentration will then have to be implemented with a volume flow meter and not a mass flow meter.

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Abstract

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 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.

Description

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 œuvre 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 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 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 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 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 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 superflues.
De plus, lorsque la charge en particules augmente brusquement en entrée, par exemple lors d'un événement 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 œuvre sans assez de réactifs ou de média. 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.
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
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,
- 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 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 de la turbidité des eaux traitées Mout effectuée à une fréquence 1/Ti.
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 Mout est inférieure à un seuil inhibiteur Si. 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 (dMin / dt) effectuée à une fréquence 1/T3.
Préférentiellement, la régulation du débit de recirculation est une boucle de régulation fermée utilisant une consigne de concentration de média (Kx) dans la zone de floculation[i] (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 des eaux traitées Kout, et une mesure de la turbidité des eaux traitées Mout 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 média Kx dans la zone de floculation est suspendue lorsque la mesure de la turbidité des eaux traitée Mout 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 (dMin/dt) effectuée à une fréquence 1/T3.
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 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, 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, 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 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 .
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 :
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 œuvre 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 œuvre :
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 le 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 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 ;
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 ;
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 recirculation B dudit réceptacle 8 vers ladite zone de floculation.
Dans ce mode de réalisation, la clarification est une flottation mettant en œuvre 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 μηι et 0,05.
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
la pompe de recirculation B du média flottant.
Dans le présent mode de réalisation, les paramètres mesurés sont :
la turbidité des eaux brutes Min ,
la turbidité des eaux traitées Mout ,
la concentration X de média dans la zone de floculation.
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 FN U (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 débitmètre massique.
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) :
Figure imgf000009_0001
(1000 * AIT20 - peff) F/720 * f/3600 1
1 _ Peff * AIT20 * Vfloc * pmedia
Pmedia
Equation 1 dans laquelle :
c(t) est la concentration à l'instant t en média exprimée en m L de média/L ; c0 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 m L de média/L ;
t est le temps écoulé depuis le dernier point de concentration calculé, exprimé en secondes ;
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 fioc est le volume de la cuve de floculation dans laquelle le média est réinjecté, 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 ;
Figure imgf000010_0001
Equation 2
dans laquelle
c(t) est la concentration à l'instant t en média exprimée en m L de média/L ; c0 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 m L de média/L ;
FIT10, le débit d'alimentation exprimé en m3/h ;
Vf|oc 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 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 Kout, correspondant à la qualité prédéterminée de l'eau traitée et une mesure de la turbidité des eaux traitées Mout effectuée à une fréquence 1/Ti. 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.
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 (dMin /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 est suspendue lorsque la mesure de la turbidité des eaux traitées Mout est inférieure à un seuil inhibiteur Si. 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 floculation et la zone de clarification.
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 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/Ti. 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 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 Kout et une mesure de la turbidité des eaux traitées Mout 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 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 floculation comprend quant à elle une boucle de régulation ouverte 70 utilisant une mesure de la dérivée de la turbidité des eaux brutes (dMin/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 turbidité des eaux brutes (dMin/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 Ti, T2 et T3 sont telles que Ti < T2 < T3. Dans le cadre du présent mode de réalisation, Ti = 10 secondes, T2 = 30 secondes et T3 = 60 secondes comme périodes de mesure ou d'estimation des différentes variables prises en compte dans les régulations. D'autres valeurs pour les périodes, ou d'autres rapports entre les différentes périodes peuvent naturellement être choisis dans le cadre de l'invention.
La concentration de média Ex dans la zone de floculation peut être mesurée indirectement, par exemple être obtenue grâce à un bilan matière et l'utilisation d'un débitmètre massique placé sur la canalisation de recirculation.
Enfin, une petite partie du média accélérant la clarification peut rester dans les boues, et ne pas re-circuler lors de l'étape 6 de recirculation. Il peut donc arriver que la quantité de média disponible devienne insuffisante. Dans ce cas, bien que l'étape de recirculation 6 soit à son maximum, le taux Ex de média dans la zone de floculation n'atteindra pas la consigne Kx désirée par le système de commande. Il est alors facile d'alerter l'opérateur ou de commander l'ajout de média dans l'installation dès que la fréquence de recirculation est saturée de manière prolongée.
Des tests ont montré que lorsque, conformément à l'invention, la régulation 10 du dosage par la pompe A de l'agent floculant lors de l'étape 2 d'ajout d'un agent floculant et la régulation 20 du débit de recirculation par la pompe B lors de l'étape 6 de recirculation du média sont couplées, le fonctionnement d'une installation de clarification est sensiblement amélioré, tout d'abord en évitant le surdosage de floculant et de média, et ensuite en assurant la qualité de l'eau traitée par une opération plus rapide et efficace du procédé aux changements brusques de la qualité des eaux brutes « In ».
L'installation représentée à la figure 1 a ainsi été mise en œuvre d'une part en intégrant une régulation selon l'invention (mode Régulation), telle que décrite ci-dessus, et d'autre part avec une régulation par opérateur (mode Opérateur). Selon ces deux modes, le débit d'alimentation en eau à traiter a été maintenu à 30 m /h.
Durant ces deux modes, la concentration de média flottant présent en cuve de floculation a été fixée à 0,47 mL de billes/L. Selon le mode Opérateur, cette concentration a été fixée au départ et elle n'a pas été modifiée ensuite par l'opérateur. Selon le mode Régulation, conformément à la présente invention, le débit de recirculation par la pompe B de ce matériau a été régulé de façon à maintenir la concentration de média flottant en permanence le plus proche possible de 0,47 m L de billes/L. Durant ces essais, l'eau à traiter a présenté une turbidité faible (8 NTU lors du test en mode Régulateur et 6 NTU lors du test en Mode Opérateur) permettant l'obtention aisée d'une eau traitée de qualité.
Durant ces essais une perturbation de la qualité de l'eau à traiter entrant dans l'installation a été artificiellement provoquée par l'ajout de boues dans celle-ci.
Les résultats des essais comparatifs correspondants sont synthétisés dans le tableau 1 ci-dessous.
Dans les deux modes, les perturbations provoquées ont été relativement similaires, provoquant une turbidité maximale des eaux de 87 NTU en mode Régulation et de 95 NTU en mode Opérateur et une turbidité moyenne de 58 NTU en mode Régulation et de 60 NTU en mode Opérateur. La perturbation en Mode Régulation a toutefois été plus longue (76 min) qu'en mode Opérateur (40 min).
Selon l'art antérieur, en mode Opérateur, les réglages de l'opérateur pour maintenir une qualité d'eau traitée durant la perturbation, ont été réalisés selon l'usage en présence d'un surdosage d'agent floculant et de média.
La figure 3 indique l'évolution dans le temps, au cours du test en mode Régulation selon l'invention, des paramètres suivant :
la turbidité de l'eau à traiter en NTU ;
la turbidité de l'eau traitée en NTU ;
la concentration en floculant en ppm ;
la fréquence de recirculation du média flottant en Hz.
Dans le cadre de ces essais, l'eau traitée a été considérée comme présentant une qualité dégradée dès lors que sa turbidité a dépassé 2 NTU durant plus de 2 heures.
Comme indiqué tableau 1, la turbidité maximale observée sur les eaux traitées s'élève respectivement à 3,6 et 61,2 NTU en Mode Régulation et Opérateur.
En référence au tableau 1, l'optimisation de la consommation du floculant peut être discutée sur trois périodes de chaque essai :
Avant et après la perturbation, le ratio du taux de traitement sur la charge entrante est respectivement de 0,014 mg/L/NTU en mode Régulation et de 0,025 mg/L/NTU en mode Opérateur. Ce dosage est ainsi mieux ajusté en Mode Régulation. Pendant les deux heures après le début de la perturbation, le taux de réactif floculant (taux de traitement) varie en mode Régulation et atteint un maximum à 0,32 mg/L pour satisfaire la consigne de 2 NTU. Durant ces deux heures, la quantité de floculant distribuée est approximativement la même dans les deux modes (9,3 g en mode Régulation et 9,1 g en mode Opérateur) correspondant à des ratios de traitement quasi identiques (0,155 g/m3 en mode Régulation et 0,151 g/m3 en mode Opérateur) mais le mode Régulation permet de respecter la consigne en turbidité 98,7% du temps alors qu'en mode Opérateur cette consigne n'est respectée que 63,3% du temps.
En rapportant la quantité de réactif consommé à la charge (ratio Traitement / Charge), le Mode Régulation se distingue favorablement (2,0 vs 3,7mg/NTU entrant cumulé) car la charge à abattre est plus conséquente lors de l'essai en Mode Régulation, la durée de la perturbation étant plus longue.
Sur une période de 8 heures, c'est-à-dire 4 heures avant et 4 heures après le début de la perturbation, la quantité de floculant consommée en mode Régulation apparaît plus faible (29,3g) qu'en mode Opérateur (36,0g). Le Mode Régulation selon l'invention permet donc de consommer moins de réactif floculant. Cela se traduit par des ratios plus faibles (ratio Traitement sur Volume d'eau traitée, ratio Traitement sur Charge).
Mode Mode
Régulation Opérateur
Unité
Eau à traiter Turbidité eau à traiter
avant et après la 8 6 NTU
perturbation
Caractéristiques de la Perturbation
Turbidité maximale de l'eau
à traiter durant la 87 95 NTU
perturbation
Turbidité médiane de l'eau 58 60 NTU
à traiter durant la
perturbation
Turbidité cumulée de la
charge entrante au cours de 4345 2073 NTU
la perturbation
Durée de la perturbation 76 40 min
Eau traitée Turbidité maximale
3,6 61,2 NTU
observée de l'eau traitée
% du temps en deçà de la
98,7 63,3
consigne %
Floculant Taux avant la perturbation 0,11 0,15 mg/L
Avant Ratio Traitement / Taux
0,014 0,025 mg/L/NTU perturbation avant perturbation
Max du taux de traitement 0,32 0,15 mg/L
observé
Quantité de floculant 9,3 9,1 g
2h post
Ratio Traitement / m3 g/m3 d'eau traitée perturbation 0,155 0,151
d'eau traitée (moyenné sur 2h)
4681 2479 NTU entrant cumulé
Charge entrante
2,0 3,7 mg/NTU entrant cumulé
Ratio Traitement / Charge
Quantité de floculant 29,3 36,0 g
Sur une
période de 8h Ratio Traitement / m3 g/m3 d'eau traitée
0,122 0,15
(+/-4h autour d'eau traitée (moyenné sur 8h) de la Charge entrante 7485 6984 NTU entrant cumulé perturbation) Ratio Traitement / Charge 3,9 5,2 mg/NTU entrant cumulé
Média Flottant Concentration (consigne) 0,47 0,47 mL de billes/L
TABLEAU 1
En référence à la figure 3, le procédé selon l'invention a permis d'ajuster en permanence le débit de recirculation de la pompe B pour maintenir la consigne en média flottant le plus proche de la consigne.
On notera que dans d'autres modes de réalisation, la floculation pourra être assistée par un lest, par exemple du microsable. Dans d'autres modes de réalisation, la floculation pourra aussi être assistée par injection d'air dépressurisée dans l'eau. La quantité d'air injecté doit alors être contrôlée car l'étape d'injection est énergivore et donc coûteuse. De plus, la concentration d'air dans la zone de clarification doit être régulée car une concentration trop élevée peut entraîner l'embolie gazeuse de systèmes en aval, comme par exemple des filtres. L'invention s'applique parfaitement à ce type de clarification, le débit d'injection d'air dissous étant régulé de la même façon que le débit B de recirculation d'un média solide. Seul le bilan matière pour l'estimation de la concentration en eau blanche devra alors être mis en œuvre avec un débitmètre volumique et non un débitmètre massique.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de clarification d'eaux par différence de densité comprenant :
u ne étape d'ajout auxdites eaux d'un agent coagu lant,
u ne étape d'ajout d'un agent floculant,
u ne étape d'ajout d'un média accélérant la clarification,
u ne étape de clarification dans une zone de clarification condu isant à la production de boues et d'eau clarifiée,
u ne étape de traitement desdites boues en vue d'en extraire ledit média, et u ne étape de recirculation dudit média vers ladite étape d'ajout de média accélérant la clarification ; caractérisé en ce que ledit procédé comprend u ne 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 recircu lation lors de l'étape de recirculation dudit média, lesdites régulations (10, 20) étant couplées.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation (10) du dosage de l'agent floculant com prend une boucle de régulation fermée (30) utilisant une consigne de la turbidité des eaux traitées Kout, et une mesure de la turbid ité des eaux traitées Mout effectuée à une fréquence 1/Ti.
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.
Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la boucle fermée (30) de la régulation (10) d u dosage de l'agent floculant est suspendue lorsq ue la mesure de la turbidité des eaux traitées Mout est inférieure à un seuil inhibiteur Si.
Procédé selon l'u ne des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la régulation (10) du dosage de l'agent floculant comprend une boucle de régulation ouverte (40) utilisant une mesure de la dérivée de la turbidité des eaux brutes (dMin / dt) effectuée à une fréquence 1/T3.
6. 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 (Kx) dans la zone de floculation.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la régulation (20) du débit de recirculation est de type proportionnel, intégral, dérivée.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la régulation (50) de la consigne de concentration du média Kx 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.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la boucle fermée (60) de la régulation (50) de la consigne de concentration du média Kx dans la zone de clarification est de type proportionnel, intégral, dérivée .
10. 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 Kx dans la zone de floculation est suspendue lorsque la mesure de la turbidité des eaux traitée Mout est inférieure à un seuil inhibiteur S2.
11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la régulation (50) de la consigne de concentration du média Kx 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 Min / dt) effectuée à une fréquence 1/T3.
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.
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.
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 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, 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 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).
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