WO2019228889A1 - Réacteur pour la décantation et la filtration d'une eau à traiter, procédé de traitement et de lavage correspondants et installation le comprenant - Google Patents

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WO2019228889A1
WO2019228889A1 PCT/EP2019/063238 EP2019063238W WO2019228889A1 WO 2019228889 A1 WO2019228889 A1 WO 2019228889A1 EP 2019063238 W EP2019063238 W EP 2019063238W WO 2019228889 A1 WO2019228889 A1 WO 2019228889A1
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treated
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Abdelkader Gaid
Philippe Sauvignet
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Veolia Water Solutions & Technologies Support
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Definitions

  • Reactor for decantation and filtration of a water to be treated corresponding treatment and washing process and installation comprising the same
  • the invention relates to the treatment of turbid and / or colored water, in particular for the production of drinking water.
  • the present invention relates to a reactor for the decantation and filtration of a water to be treated, an installation comprising it, a water treatment process in the reactor or in an installation comprising it and a method for washing the reactor.
  • Filtration is known on a single medium.
  • a sand-bed filter on a gravel support makes it possible to treat a pre-decanted water having a maximum turbidity of 5 NTU at a speed ranging from 6 to 15 m / h.
  • an activated carbon layer filter makes it possible to eliminate organic matter and different micro pollutants for previously decanted water having a maximum turbidity of 0.5 NTU.
  • Multi-media filters represent a significant improvement over mono-media filters. This is mainly due to the improvement of the action of the filter bed based on the use and selection of well differentiating filter media.
  • Multi-media filtration allows the distribution of high quality filtered water over a conventional sand filter and allows for higher floc or particle retention capabilities.
  • a two-layer filter is known in which sand is associated with anthracite. This two-layer filter makes it possible to treat previously decanted water having a maximum turbidity of 15 NTU.
  • the known multi-media filters are not very suitable for treating water with a turbidity higher than this value and additional means of clarification must be put in place upstream to sufficiently lower the turbidity of the water entering the multi filters. -media.
  • the present invention aims to overcome at least some disadvantages of the prior art.
  • An object of the invention is in particular to provide a reactor comprising a plurality of filtration media to ensure both decantation and filtration.
  • Another object of the invention is to provide a reactor for the treatment of highly turbid and / or colored water.
  • an object of the invention is to provide a reactor for the treatment of water with a maximum turbidity ranging from 40 to 50 NTU and / or having a maximum color of 60 mg (Pt -Collar.
  • Another objective is to provide a mobile reactor that can be moved easily.
  • Another objective is to provide a reactor of simple design and low cost.
  • Another objective is to propose a reactor that consumes little energy.
  • Another objective is to propose installations integrating the reactor.
  • Another objective is to propose a method for washing the reactor.
  • the invention relates to a reactor for decanting and filtering a water to be treated.
  • the reactor comprises a means for injecting the water to be treated disposed at the bottom and a means for recovering treated water disposed at the top.
  • the internal volume of the reactor is filled, at least in part, by at least five superposed layers of media: a lower layer, at least three layers intermediates and a higher layer.
  • the media of an upper layer have a strictly smaller particle size and an apparent density less than or equal to the particle size and the apparent density of the media of the directly lower layer.
  • the media of the lowest layer have a particle size ranging from 50 to 200 millimeters.
  • Turbidity the reduction of transparency of a liquid due to the presence of undissolved material. Turbidity is usually caused by suspended solids and colloidal particles that absorb, scatter and / or reflect light. It is measured by various photometry methods well known to those skilled in the art. It is here expressed in N ephelometric Turbidity Unit, whose English abbreviation commonly used is the NTU.
  • the color of the water may be of mineral or organic origin. It is measured by comparison with standard reference solutions containing platinum and cobalt and expressed in mg (Pt-Co) / L or in Hazen degree.
  • grain size is meant the statistical size distribution of a collection of solid particles.
  • Granulometric analysis is the set of operations for determining the size distribution of the solid particles composing a collection of particles.
  • the methods used to define the particle size of a collection of particles are:
  • Sieving it consists in measuring the weight of dry matter which passes through the meshes calibrated of a sieve cloth. It is particularly suitable for measuring particle sizes greater than about 0.1 millimeters.
  • the material specifications are based on the knowledge of the d10 and d60 values and the uniformity coefficient (CU).
  • the reactor according to the invention is intended to allow the treatment of an upward flow of water to be treated passing through the different media layers. Because of their particle size, the media of the lower layer can ensure a settling of particles and / or flocs contained in the water to be treated entering the reactor. Depending on the particle size of the layers above the lowest media layer, some of these layers which are directly above the lowest layer can also provide, at least in part, decantation. In other words, the lower layer of media, and in some embodiments some of the layers which are directly higher, block the particles and / or flocs that are usually removed by decanting in the processes of the prior art.
  • the reactor according to the invention makes it possible to treat water with a maximum turbidity of between 40 and 50 NTU in order to obtain treated waters of turbidity that are strictly less than 1 NTU, preferentially for obtaining treated water with turbidity close to 0.5 NTU.
  • the reactor according to the invention makes it possible to treat waters having a maximum color of 60 mg (Pt-Co) / L to obtain treated waters having a color of less than 10 mg (Pt-Co) / L.
  • the selection of decreasing apparent densities and Strictly decreasing grain size further ensures that there is no media transfer between the layers during reactor operation.
  • the reactor according to the invention is radically different from a conventional sand filter.
  • the reactor according to the invention is intended to operate upflow while a conventional sand filter is downflow (gravity).
  • all media layers participate in water treatment rather than only the first few centimeters of a gravity sand filter. Decantation is ensured by the lowest layer, corresponding to media of higher particle size. But settling can continue on layers directly above the lowest layer, especially on layers with a particle size of between 10 and 20 mm.
  • the reactor of the present invention can therefore be used in a water treatment process free of a prior stage of decantation in the tank.
  • the water to be treated can also be highly turbid.
  • the media of the different layers are selected from: anthracite, sand, garnet, pumice, granular activated carbon, calcite, manganese dioxide and iron oxyhydroxide.
  • the media of the highest layer have a particle size ranging from 0.4 to 0.9 millimeters. This makes it possible to ensure a cutoff threshold of the filter strictly less than 10 micrometers.
  • the cutoff threshold is the property of a physical barrier to physically stop all elements whose size exceeds a limit value.
  • the material used for the media of the highest layer may also be iron oxyhydroxide to remove certain metals such as arsenic.
  • the material used for the media of the highest layer can finally be a material for the remineralization of treated water. It is well known to those skilled in the art materials to introduce a number of minerals in water. For example, for a water low in carbonates and / or bicarbonates a material capable of releasing these species can be used to make this water little or not aggressive. In this case, a limestone material of the calcite type, a natural and sparingly dense material, is advantageously used.
  • the grains of activated carbon, calcite, pumice or iron oxyhydroxide advantageously have a particle size of between 0.4 and 0.9 mm.
  • Garnets and grains of manganese dioxide can be used in an intermediate layer of media. Garnets have the advantage of having a low cost. Manganese dioxide removes manganese and dissolved iron.
  • the particle size of the at least three intermediate layers of the reactor is selected as follows:
  • the media of a second intermediate layer have a particle size of between 2 and 10 millimeters
  • the media of a third intermediate layer have a particle size of between 1.0 and 2.0 millimeters.
  • Such a granulometry gradient allows a sufficient presence of voids between the materials and ensures a pressure drop that does not lead to filtration cycles too short.
  • the particle size of the media of the highest layer is 0.4 to 0.9 millimeters, this makes it possible to obtain an output turbidity in accordance with the standards of potability, in particular a turbidity strictly less than 1 NTU, preferably a turbidity. close to 0.5 NTU.
  • the height of each layer is determined to prevent the particles from passing through the topmost layer.
  • the at least five layers are superimposed over a height ranging from 2.4 to 4.3 meters.
  • the reactor may further comprise intermediate washing means, arranged directly below the intermediate layer of the highest particle size.
  • the washing means can inject water and / or air through the overlying media layers. This can in particular be implemented by a water ramp, an air ramp or a single ramp for injecting simultaneously water and air.
  • the reactor then comprises washing water recovery means arranged at the bottom and washing water recovery means arranged in the upper part.
  • the reactor may also comprise a low washing means, disposed at the bottom, for injecting air through the at least five superimposed layers of media. This can in particular be implemented by an air ramp.
  • the reactor comprises five superposed media layers as follows:
  • the lowest layer consists of pebbles, pebbles or equivalent, with a particle size of between 50 and 200 millimeters.
  • the first intermediate layer consists of gravel, with a particle size of between 10 and 20 millimeters.
  • the second intermediate layer consists of gravel, with a particle size of between 2 and 10 millimeters.
  • the upper layer consists of fine sand with a grain size of between 0.4 and 0.9 millimeters.
  • the heights of the layers are advantageously chosen as follows:
  • the lowest layer has a height ranging from 0.5 to 0.8 meters.
  • the first intermediate layer has a height ranging from 0.3 to 0.5 meters.
  • the second intermediate layer has a height ranging from 0.4 to 0.7 meters.
  • the third intermediate layer has a height ranging from 0.4 to 0.8 meters.
  • the highest layer has a height ranging from 0.8 to 1.5 meters. In this embodiment, the lower layer achieves a cutoff threshold close to 1000 microns.
  • the first intermediate layer makes it possible to obtain a cutoff threshold of between 200 and 1000 micrometers.
  • the second intermediate layer makes it possible to obtain a cutoff threshold of between 50 and 200 microns.
  • the third intermediate layer makes it possible to obtain a cutoff threshold of between 25 and 50 microns.
  • the highest layer provides a cutoff threshold strictly less than 10 micrometers.
  • the reactor makes it possible to eliminate particles smaller than 10 microns and to effectively treat a turbidity water of between 40 and 50 NTU to obtain a treated water having a turbidity strictly less than 1 NTU, in particular to obtain a treated water. having a turbidity close to 0.5 NTU.
  • the reactor can be installed in a pressurized structure, in a closed chamber: the internal pressure can then reach 5 bars.
  • the present invention also relates to an installation comprising a reactor according to the invention.
  • the installation and / or the reactor may comprise:
  • the means for measuring the flow of water may in particular be flow meters.
  • the means for measuring the turbidity of the water may especially be continuous turbidity measuring devices.
  • the plant may furthermore comprise, upstream of the reactor, coagulation means, in line or in tanks, and / or flocculation means, in line or in tanks. Coagulation and / or flocculation make it possible to destabilize the colloidal particles of the water to be treated.
  • upstream is all that is connected to the reactor and that allows to pre-treat the water to be treated before entering the reactor.
  • in line the fact that chemicals are added directly into a water supply pipe by a static mixer or other equivalent device.
  • Tank means that chemical substances are added and left to react for a certain time in a dedicated tank equipped with a mixer.
  • the water may be coagulated beforehand by addition of coagulant as the person skilled in the art uses it today on the water purification plants.
  • the coagulant may in particular be chosen from an organic coagulant or a mineral coagulant, in particular based on iron or aluminum.
  • the coagulation time in the tank is generally between 1 and 4 minutes.
  • the water which may be coagulated, may be flocculated by the addition of a flocculant such as those skilled in the art use today in the water purification plants.
  • the flocculant may in particular be chosen from synthetic organic flocculants, natural accelerants (starch-type, alginate, etc.), activated mineral-type mineral aoculants or the like.
  • the Aoculation time in the tank is generally between 5 and 20 min. In the case where the Aoculation is carried out online, Aoculation will be effective in the lower media layer of the reactor.
  • the installation may furthermore comprise, downstream of the reactor:
  • downstream means everything connected to the reactor and which allows to post-treat the treated water after leaving the reactor.
  • the membrane filtration means may be selected from microfiltration, ultrafiltration or reverse osmosis means.
  • the means for disinfecting the treated water may be chosen from means for adding chemical disinfectants or ultraviolet radiation means.
  • the media should not be Auidized, or at least if the media of the highest layer are Auidized, the Expansion rate of the media bed should remain strictly less than 20%, preferably strictly less than 10%.
  • the speed of the rising water flow is between 1m / h and 15m / h.
  • the reactor according to the invention, the installations comprising it and the corresponding water treatment processes make it possible to ensure unit flows of less than 1500 m 3 / day per unit, which is advantageous for simply supplying a population that can go up to 15,000 inhabitants (base 100 liters / inhabitant).
  • the washing process comprises:
  • Sensitive expansion is understood to mean that the layers overlying the intermediate washing means are fluidized to an expansion ratio greater than or equal to 20%, preferably greater than or equal to 10%.
  • the emptying allows the evacuation of the sludge retained in the lower part of the reactor.
  • the lowering of the water level makes it possible to evacuate the filtered particles and / or flocs retained in the upper media layers. This facilitates the washing conditions because it is easier to extract most of the filtered particles and / or flocs by gravity.
  • the intermediate washing cycle is carried out co-currently, which forces the filtered particles and / or flocs overlying the intermediate washing means to pass through all the media layers to the upper part of the reactor. So that the filtered particles and / or flocs can cross the layers of media until the part high of the reactor, the media layers overlying the intermediate washing means have an expansion ratio greater than or equal to 20%, preferably greater than or equal to 10%.
  • the intermediate washing cycle comprises successively:
  • the simultaneous sending of water and air by the intermediate washing means the water flow rate ranging from 6 to 20 m / h, and the air flow rate ranging from 30 to 70 Nm 3 / (m 2 .h);
  • the washing method also comprises sending air by the low washing means through the media layers. This makes it possible to destabilize the particles and flocs accumulated in the different layers.
  • the washing method comprises successively:
  • FIG. 1 schematically shows an installation according to the present invention comprising a reactor with five media layers and comprising means for coagulation and in-line flocculation.
  • FIG. 2 schematically shows an installation according to the present invention comprising a five-layer reactor and comprising in-line coagulation means and in-tank flocculation means.
  • the installation 100 comprises a reactor 10 adapted for decantation and filtration of a water to be treated 200 and coagulation and flocculation means 202 in line in a supply line 101.
  • the reactor 10 comprises a floor 15, through which the water can flow freely, on which are arranged five superimposed layers of media 20, 21, 22, 23, 24.
  • Water injection means 11 arranged at the bottom of the reactor make it possible to create an upward flow of water to be treated in the reactor 10.
  • Means 13 for recovering treated water 230 make it possible to recover the treated water in a pipe 103.
  • Figure 2 shows a plant 100 in which the flocculation is carried out in a tank 300.
  • the water treatment process was implemented with:
  • the contact time corresponds to the coagulation and flocculation reaction which allows, after the addition of coagulant and polymer, to destabilize the colloidal particles and to create an agglomeration of the flocs.

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Abstract

Réacteur (10) pour la décantation et la filtration d'une eau à traiter (200) comprenant un moyen d'injection (11) de l'eau à traiter (200) disposé en partie basse et un moyen de récupération (13) d'une eau traitée (230) disposé en partie haute, dans lequel: le volume intérieur est rempli, au moins en partie, par au moins cinq couches superposées de médias (20, 21, 22, 23, 24): une couche la plus inférieure (20), au moins trois couches intermédiaires (21, 22, 23) et une couche la plus supérieure (24); pour chaque couche, les médias d'une couche supérieure ont une granulométrie strictement inférieure et une densité apparente inférieure ou égale à la granulométrie et à la densité apparente des médias de la couche directement inférieure; les médias de la couche la plus inférieure (20) ont une granulométrie allant de 50 à 200 millimètres; et les médias des couches superposées de médias (20, 21, 22, 23, 24) sont choisis parmi l'anthracite, le sable, le grenat, la pierre ponce, le charbon actif en grains, la calcite, le dioxyde de manganèse et l'oxyhydroxide de fer.

Description

Réacteur pour la décantation et la filtration d'une eau à traiter, procédé de traitement et de lavage correspondants et installation le comprenant
1. Domaine de l'invention
L’invention concerne le traitement d’eaux turbides et/ou colorées, en particulier pour la production d’eau potable.
Plus précisément la présente invention concerne un réacteur pour la décantation et la filtration d’une eau à traiter, une installation le comprenant, un procédé de traitement d’eau dans le réacteur ou dans une installation le comprenant et un procédé de lavage du réacteur.
2. Art antérieur
11 existe aujourd’hui un grand nombre de procédés de traitement destinés à produire de l’eau potable par des technologies faisant appel à la coagulation-floculation- décantation et filtration. Les étapes de décantation et de filtration sont toujours séparées. Les installations correspondantes ont donc une forte emprise au sol.
11 est connu la filtration sur un seul média. Par exemple, un filtre à couche de sable sur support gravier permet de traiter une eau préalablement décantée ayant une turbidité maximum de 5 NTU à une vitesse allant de 6 à 15 m/h. Par ailleurs, un filtre à couche de charbon actif permet d’éliminer de la matière organique et différents micro polluants pour une eau préalablement décantée ayant une turbidité maximum de 0.5 NTU.
11 est connu de l’homme du métier que les filtres multi-médias représentent une amélioration significative par rapport aux filtres mono-média. Cela est principalement dû à l’amélioration de l’action du lit filtrant basée sur l’utilisation et la sélection de milieux filtrants bien différenciant. La filtration multi-médias permet la distribution d’eau filtrée de haute qualité par rapport à un filtre à sable conventionnel et permet des capacités de rétention de flocs ou de particules plus élevées. 11 est notamment connu un filtre bi-couche dans lequel du sable est associé à de l’anthracite. Ce filtre bi-couche permet de traiter une eau préalablement décantée ayant une turbidité maximum de 15 NTU. En pratique, les filtres multi-médias connus sont peu adaptés pour traiter des eaux ayant une turbidité supérieure à cette valeur et des moyens supplémentaires de clarification doivent être mis en place en amont pour abaisser suffisamment la turbidité de l’eau entrant dans les filtres multi-médias. Ainsi, il existe présentement un réel besoin de proposer un dispositif permettant la décantation et la filtration d’une eau, qui soit plus compact d’une part, et qui permette le traitement d’eaux hautement turbides.
3. Objectifs de l'invention
La présente invention a pour objectif de pallier au moins certains inconvénients de l’art antérieur.
Un objectif de l’invention est notamment de proposer un réacteur comprenant plusieurs médias de filtration permettant d’assurer à la fois une décantation et une filtration.
Un autre objectif de l’invention est de proposer un réacteur permettant le traitement d’eaux hautement turbides et/ou colorées. En particulier, au moins selon certains modes de réalisation, un objectif de l’invention est de proposer un réacteur permettant le traitement d’eaux ayant une turbidité maximum allant de 40 à 50 NTU et/ou ayant une couleur maximale de 60 mg(Pt-Co)/L.
Un autre objectif, au moins selon certains modes de réalisation, est de proposer un réacteur mobile et pouvant être déplacé facilement.
Un autre objectif, au moins selon certains modes de réalisation, est de proposer un réacteur de conception simple et ayant un faible coût de revient.
Un autre objectif, au moins selon certains modes de réalisation, est de proposer un réacteur peu consommateur d’énergie.
Un autre objectif est de proposer des installations intégrant le réacteur.
Un autre objectif est de proposer des procédés de traitement d’eaux dans le réacteur ou dans des installations le comprenant. Un objectif, au moins selon certains modes de réalisation, est de proposer des procédés dans lequel l’ajout de réactifs chimiques est optimisé.
Enfin un autre objectif, au moins selon certains modes de réalisation, est de proposer un procédé de lavage du réacteur.
4. Exposé de l'invention
L’invention concerne un réacteur pour la décantation et la filtration d’une eau à traiter. Le réacteur comprend un moyen d’injection de l’eau à traiter disposé en partie basse et un moyen de récupération d’une eau traitée disposé en partie haute. Le volume intérieur du réacteur est rempli, au moins en partie, par au moins cinq couches superposées de médias : une couche la plus inférieure, au moins trois couches intermédiaires et une couche la plus supérieure. Pour chaque couche, les médias d’une couche supérieure ont une granulométrie strictement inférieure et une densité apparente inférieure ou égale à la granulométrie et à la densité apparente des médias de la couche directement inférieure. Les médias de la couche la plus inférieure ont une granulométrie allant de 50 à 200 millimètres.
Au sens de la présente invention, on entend par « turbidité », la réduction de transparence d’un liquide due à la présence de matière non dissoute. La turbidité est généralement causée par des matières en suspension et des particules colloïdales qui absorbent, diffusent et/ou réfléchissent la lumière. Elle est mesurée par différentes méthodes de photométrie bien connues de l’homme du métier. Elle est ici exprimée en Unité de Turbidité N éphélométrique, dont l’abréviation anglaise communément utilisée est le NTU.
La couleur de l'eau peut être d’origine minérale ou organique. Elle est mesurée par comparaison à des solutions étalons de référence contenant du Platine et du Cobalt et exprimée en mg(Pt-Co)/L ou en degré Hazen.
On entend par « densité apparente », le rapport de la masse volumique d'un matériau, sous forme de grains ou sous forme pulvérulente, sur la masse volumique de l’eau. La masse volumique apparente d’un même matériau sec sous forme de grains ou sous forme pulvérulente peut varier selon qu’il est plus ou moins tassé ou, au contraire, selon qu’il est plus ou moins aéré, car le volume occupé par le matériau inclut le volume vide entre les grains.
On entend par « granulométrie » la distribution statistique des tailles d’une collection de particules solides. L’analyse granulométrique est l’ensemble des opérations permettant de déterminer la distribution des tailles des particules solides composant une collection de particules. Les méthodes utilisées pour définir la granulométrie d’une collection de particules sont :
- i) Le tamisage : il consiste à mesurer le poids de matière sèche qui passe au travers des mailles calibrées d’une toile de tamis. 11 est particulièrement adapté pour mesurer des tailles de particules supérieures à environ 0.1 millimètre. Les spécifications des matériaux sont basées sur la connaissance des valeurs de dlO et d60 et du coefficient d’uniformité (CU). Le coefficient d’uniformité caractérise la répartition en taille des éléments qui composent un matériau de type sol. 11 se calcule grâce à la formule: Cu = d60/dl0, dans laquelle : Cu est le coefficient d'uniformité, d60 est l’ouverture de maille du tamis correspondant à 60% du poids de passant cumulé, définie sur la courbe granulométrique et, dlO est l’ouverture de maille du tamis correspondant à 10% du poids de passant cumulé, définie sur la courbe granulométrique.
- ii) La diffraction laser : elle consiste à mesurer la diffraction par des particules en suspension dans l'eau de la lumière émise par un faisceau laser. La répartition spatiale de cette lumière, fonction de la taille des particules, est enregistrée par un ensemble de photodiodes qui indique la proportion de chaque classe dimensionnelle. Cette méthode est adaptée pour mesurer des tailles de particules comprises entre 0.05 et 3500 gm.
Le réacteur selon l’invention est destiné à permettre le traitement d’un flux ascendant d’eau à traiter traversant les différentes couches de médias. Du fait de leur granulométrie, les médias de la couche la plus inférieure permettent d’assurer une décantation de particules et/ou de flocs contenus dans l’eau à traiter entrant dans le réacteur. Selon la granulométrie des couches supérieures à la couche de médias la plus inférieure, certaines de ces couches qui sont directement supérieures à la couche la plus inférieure peuvent assurer également, au moins en partie, la décantation. Autrement dit, la couche la plus inférieure de médias, et dans certains modes de réalisation certaines des couches qui lui sont directement supérieures, permettent de bloquer les particules et/ou flocs qui sont habituellement éliminés par décantation dans les procédés de l’art antérieur. La sélection de granulométries décroissantes (strictes) des couches de médias assure un affinage ascendant par resserrement progressif du seuil de coupure au fur et à mesure de la filtration ascendante de l’eau à traiter. La sélection de granulométries décroissantes (strictes) sur au moins cinq couches permet d’assurer une filtration satisfaisante de l’eau à traiter, même dans les cas où cette dernière est hautement turbide. Dans des modes de réalisation avantageux, le réacteur selon l’invention permet de traiter des eaux de turbidité maximum comprise entre 40 et 50 NTU pour obtenir des eaux traitées de turbidité strictement inférieure à 1 NTU, préférentiellement pour obtenir des eaux traitées de turbidité proche de 0.5 NTU. Dans des modes de réalisation avantageux, le réacteur selon l’invention permet de traiter des eaux ayant une couleur maximale de 60 mg(Pt-Co)/L pour obtenir des eaux traitées ayant une couleur inférieure à 10 mg(Pt-Co)/L. La sélection de densités apparentes décroissantes et de granulométries strictement décroissantes permet en outre d’assurer qu’il n’y ait pas de transfert de médias entre les couches durant le fonctionnement du réacteur.
Le réacteur selon l’invention est radicalement différent d’un filtre à sable conventionnel. Le réacteur selon l’invention est destiné à fonctionner à flux ascendant alors qu’un filtre à sable conventionnel est à flux descendant (gravitaire). Dans le réacteur selon l’invention, toutes les couches de médias participent au traitement de l’eau plutôt que seulement les premiers centimètres d’un filtre à sable fonctionnant en gravitaire. La décantation est assurée par la couche la plus inférieure, correspondant aux médias de plus haute granulométrie. Mais la décantation peut se poursuivre sur des couches directement supérieures à la couche la plus inférieure, notamment sur des couches de granulométrie comprise entre 10 et 20 mm.
Le réacteur de la présente invention peut donc être utilisé dans un procédé de traitement d’eau exempt d’une étape préalable de décantation en cuve. L’eau à traiter peut également être hautement turbide.
Les médias des différentes couches sont sélectionnés parmi : l’anthracite, le sable, le grenat, la pierre ponce, le charbon actif en grains, la calcite, le dioxyde de manganèse et l’oxyhydroxide de fer.
De façon avantageuse, les médias de la couche la plus supérieure ont une granulométrie allant de 0.4 à 0.9 millimètres. Ceci permet d’assurer un seuil de coupure du filtre strictement inférieur à 10 micromètres. Le seuil de coupure est la propriété d’une barrière physique à arrêter physiquement tous les éléments dont la taille dépasse une valeur limite.
Le matériau utilisé pour les médias de la couche la plus supérieure peut notamment être choisi parmi du sable, des grains d’anthracite, des grains de charbon actif, de pierre ponce, d’oxyhydroxide de fer ou des grains de matériaux adaptés pour une reminéralisation. Le sable et/ou les grains d’anthracite ont pour avantage d’avoir un faible coût de revient. Le matériau utilisé pour les médias de la couche la plus supérieure peut également être des grains de charbon actif. Le charbon actif a pour avantage d’adsorber un certain nombre de composés organiques et/ou de micro-polluants. Le charbon actif permet notamment d’adsorber les substances colorées pour des eaux ayant une couleur maximale de 60 mg(Pt-Co)/L afin d’obtenir des eaux traitées ayant une couleur inférieure à 10 mg(Pt-Co)/L. Le matériau utilisé pour les médias de la couche la plus supérieure peut aussi être l’oxyhydroxide de fer afin d’éliminer certains métaux tels l’arsenic. Le matériau utilisé pour les médias de la couche la plus supérieure peut enfin être un matériau pour la reminéralisation de l'eau traitée. 11 est bien connu de l’homme du métier des matériaux permettant d’introduire un certain nombre de minéraux dans une eau. Par exemple, pour une eau faiblement chargée en carbonates et/ou bicarbonates un matériau apte à libérer ces espèces peut être utilisé afin de rendre cette eau peu ou pas agressive. Dans ce cas, un matériau calcaire de type calcite, matériau naturel et peu dense, est avantageusement utilisé. Les grains de charbon actif, de calcite, de pierre ponce ou d’oxyhydroxide de fer ont avantageusement une granulométrie comprise entre 0.4 - 0.9 mm.
Si plusieurs des matériaux décrits ci-dessus veulent être utilisés dans un même réacteur pour en exploiter de manière cumulative les propriétés, ils sont superposés en couches par granulométrie décroissante (stricte) et densité apparente décroissante.
Les grenats et les grains de dioxyde de manganèse peuvent être utilisés dans une couche intermédiaire de médias. Les grenats ont pour avantage d’avoir un faible coût de revient. Le dioxyde de manganèse permet d’éliminer le manganèse et le fer dissous.
De manière avantageuse, la granulométrie des au moins trois couches intermédiaires du réacteur est sélectionnée comme suit:
- les médias d’une première couche intermédiaire ont une granulométrie comprise entre 10 à 20 millimètres ;
- les médias d’une deuxième couche intermédiaire ont une granulométrie comprise entre 2 à 10 millimètres ; et
- les médias d’une troisième couche intermédiaire ont une granulométrie comprise entre 1.0 à 2.0 millimètres.
Un tel gradient de granulométries autorise une présence suffisante de vides entre les matériaux et assure une perte de charge qui ne conduit pas à des cycles de filtration trop courts. Dans le cas où la granulométrie des médias de la couche la plus supérieure est de 0.4 à 0.9 millimètres, ceci permet d’obtenir une turbidité de sortie conforme aux normes de potabilité, notamment une turbidité strictement inférieure à 1 NTU, de manière préférentielle une turbidité proche de 0.5 NTU. La hauteur de chaque couche est déterminée afin d’empêcher les particules de traverser la couche la plus supérieure. De manière avantageuse, les au moins cinq couches sont superposées sur une hauteur allant de 2.4 à 4.3 mètres.
En particulier, le réacteur peut comprendre en outre des moyens de lavage intermédiaire, disposés directement en dessous de la couche intermédiaire de granulométrie la plus élevée. Les moyens de lavage permettent d’injecter de l’eau et/ou de l’air à travers les couches de médias les surplombant. Ceci peut notamment être mis en œuvre par une rampe à eau, une rampe à air ou une seule rampe permettant d’injecter de manière simultanée de l’eau et de l’air. Le réacteur comprend alors des moyens de récupération des eaux de lavage disposés en partie basse et des moyens de récupération des eaux de lavage disposés en partie haute.
Le réacteur peut aussi comprendre un moyen de lavage bas, disposé en partie basse, permettant d’injecter de l’air à travers les au moins cinq couches de médias superposées. Ceci peut notamment être mis en œuvre par une rampe à air.
Dans un mode de réalisation particulier, le réacteur comprend cinq couches de médias superposées comme suit :
La couche la plus inférieure est constituée de galets, cailloux ou équivalent, de granulométrie comprise entre 50 et 200 millimètres.
La première couche intermédiaire est constituée de gravier, de granulométrie comprise entre 10 et 20 millimètres.
La deuxième couche intermédiaire est constituée de gravier, de granulométrie comprise entre 2 et 10 millimètres.
La troisième couche intermédiaire est constituée de sable grossier, de granulométrie comprise entre 1.0 et 2.0 millimètres.
La couche la plus supérieure est constituée de sable fin, de granulométrie comprise entre 0.4 et 0.9 millimètres.
Dans ce mode de réalisation, les hauteurs des couches est avantageusement choisie comme suit :
La couche la plus inférieure a une hauteur allant de 0.5 à 0.8 mètres.
La première couche intermédiaire a une hauteur allant de 0.3 à 0.5 mètres.
La deuxième couche intermédiaire a une hauteur allant de 0.4 à 0.7 mètres.
La troisième couche intermédiaire a une hauteur allant de 0.4 à 0.8 mètres.
La couche la plus supérieure a une hauteur allant de 0.8 à 1.5 mètres. Dans ce mode de réalisation, la couche la plus inférieure permet d’atteindre un seuil de coupure proche de 1000 micromètres. La première couche intermédiaire permet d’obtenir un seuil de coupure compris entre 200 et 1000 micromètres. La deuxième couche intermédiaire permet d’obtenir un seuil de coupure compris entre 50 et 200 micromètres. La troisième couche intermédiaire permet d’obtenir un seuil de coupure compris entre 25 et 50 micromètres. La couche la plus supérieure permet d’obtenir un seuil de coupure strictement inférieur à 10 micromètres. Ainsi, le réacteur permet d’éliminer des particules de taille inférieure à 10 micromètres et de traiter efficacement une eau de turbidité comprise entre 40 et 50 NTU pour obtenir une eau traitée ayant une turbidité strictement inférieure à 1 NTU, notamment pour obtenir une eau traitée ayant une turbidité proche de 0.5 NTU.
Dans un mode de réalisation particulier, le réacteur peut être installé dans un ouvrage sous pression, dans une enceinte fermée : la pression interne peut alors atteindre 5 bars.
La présente invention concerne également une installation comprenant un réacteur selon l’invention. L’installation et/ou le réacteur peuvent comprendre :
- des moyens de mesure du flux d’eau à traiter entrant dans le réacteur ; et/ou
- des moyens de mesure du flux d’eau traitée sortant dudit réacteur ; et/ou
- des moyens de mesure de la turbidité de l’eau à traiter entrant dans ledit réacteur ; et/ou
- des moyens de mesure de la turbidité de l’eau traitée sortant dudit réacteur.
Les moyens de mesure du flux d’eau peuvent notamment être des débitmètres.
Les moyens de mesure de la turbidité de l’eau peuvent notamment être des appareils de mesure de turbidité en continu.
L’installation peut comprendre, en outre, en amont du réacteur des moyens de coagulation, en ligne ou en cuve, et/ou des moyens de floculation, en ligne ou en cuve. La coagulation et/ou la floculation permettent de déstabiliser les particules colloïdales de l’eau à traiter.
On entend par « amont » tout ce qui est connecté au réacteur et qui permet de pré traiter l’eau à traiter avant son entrée dans le réacteur.
On entend par « en ligne », le fait que des substances chimiques soient ajoutées directement dans une canalisation d’amenée d’eau par un mélangeur statique ou autre dispositif équivalent. On entend par « en cuve », le fait que des substances chimiques soient ajoutées et laissées à réagir pendant une certaine durée dans une cuve dédiée munie d’un mélangeur.
L’eau peut être préalablement coagulée par addition de coagulant tel que l’homme de l’art l’utilise aujourd’hui sur les usines de potabilisation. Le coagulant peut notamment être choisi parmi un coagulant organique ou un coagulant minéral, notamment à base de fer ou d’aluminium. Dans le cas où une cuve de coagulation est utilisée, la durée de coagulation dans la cuve est généralement comprise entre 1 et 4 minutes.
L’eau éventuellement coagulée, peut être floculée par addition d’un floculant tel que l’homme de l’art l’utilise aujourd’hui sur les usines de potabilisation. Le floculant peut notamment être choisi parmi les floculants organiques de synthèse, les Acculants naturels (de type amidon, alginate etc...), les Aoculants minéraux de type silice activée ou équivalent. Dans le cas où une cuve de Aoculation est utilisée, la durée de Aoculation dans la cuve est généralement comprise entre 5 et 20 min. Dans le cas où la Aoculation est mise en oeuvre en ligne, la Aoculation sera effective dans la couche de médias la plus inférieure du réacteur.
L'installation peut comprendre en outre, en aval du réacteur:
- des moyens de filtration membranaire et/ou
- des moyens de désinfection de l’eau traitée.
On entend par « aval » tout ce qui est connecté au réacteur et qui permet de post-traiter l’eau traitée après sa sortie du réacteur.
Les moyens de filtration membranaire peuvent être choisis parmi des moyens de microfiltration, d’ultrafiltration ou d’osmose inverse.
Les moyens de désinfection de l'eau traitée peuvent être choisis parmi des moyens d’ajout de désinfectants chimiques ou des moyens de rayonnement ultra-violets.
il est aussi divulgué un procédé de traitement d’eau dans un réacteur selon l’invention ou dans une installation le comprenant. Ce procédé comprend :
- l’injection d’une eau à traiter dans le réacteur par les moyens d’injection afin d’obtenir un Aux ascendant d’eau dans le réacteur ayant une vitesse permettant de ne pas provoquer d’expansion sensible des couches de médias.
- la récupération d’une eau traitée du réacteur par les moyens de récupération.
En effet, afin de pouvoir assurer une bonne filtration, les médias ne doivent pas être Auidisés, ou à tout le moins si les médias de la couche la plus supérieure sont Auidisés, le taux d’expansion du lit de média doit rester strictement inférieur à 20%, préférentiellement strictement inférieur à 10%.
Avantageusement, la vitesse du flux d’eau ascendant est comprise entre lm/h et 15m/h. Le réacteur selon l’invention, les installations le comprenant et les procédés de traitement d’eau correspondants permettent d’assurer des débits unitaires inférieur à 1500 m3/jour par unité, ce qui est intéressant pour approvisionner de façon simple une population pouvant aller jusqu’à 15 000 habitants (base 100 litres/habitant.j our) .
11 est aussi divulgué un procédé de lavage dans un réacteur ayant des moyens de lavage intermédiaire tels que précédemment décrits. Le lavage du réacteur est notamment nécessaire quand une perte de charge trop importante est observée entre le point d’injection d’eau à traiter et le point de récupération d'eau traitée, ce qui signifie une diminution des capacités de traitement d’eau. Le procédé de lavage comprend:
- la vidange et l’évacuation, au moins en partie, des eaux contenues dans le réacteur, par les moyens de récupération des eaux de lavage disposés en partie basse ; et au moins un cycle de lavage intermédiaire comprenant successivement :
- l’envoi d’eau, et optionnellement d’air, par les moyens de lavage intermédiaire afin d’obtenir un flux ascendant d’eau ayant une vitesse permettant de provoquer une expansion sensible des couches de médias les surplombant et la récupération de cette eau par les moyens de récupération des eaux de lavage disposés en partie haute; et,
- l’arrêt de l’envoi d’eau, et optionnellement d’air, par les moyens de lavage intermédiaire pendant une période de repos.
Lors du lavage un flux ascendant d’eau et/ou d’air est créé. On entend par expansion sensible le fait que les couches surplombant les moyens de lavage intermédiaire soient fluidisées jusqu’à un taux d’expansion supérieur ou égal à 20%, préférentiellement supérieur ou égal à 10%.
La vidange permet l’évacuation des boues retenues dans la partie basse du réacteur. L’abaissement du plan d’eau permet d’évacuer les particules filtrées et/ou flocs retenus dans les couches de médias supérieures. Ceci permet de faciliter les conditions de lavage car il est plus aisé d’extraire la plus grande partie des particules filtrées et/ou flocs par gravité. Le cycle de lavage intermédiaire est mis en œuvre à co-courant, ce qui oblige les particules filtrées et/ou flocs surplombant les moyens de lavage intermédiaire à traverser toutes les couches de médias jusqu’en partie haute du réacteur. Afin que les particules filtrées et/ou flocs puissent traverser les couches de médias jusqu’en partie haute du réacteur, les couches de médias surplombant les moyens de lavage intermédiaire ont un taux d’expansion supérieur ou égal à 20%, préférentiellement supérieur ou égal à 10%.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le cycle de lavage intermédiaire comprend successivement:
- l’envoi simultané d’eau et d’air par les moyens de lavage intermédiaire, le débit d’eau allant de 6 à 20 m/h, et le débit d’air allant de 30 à 70 Nm3/(m2.h) ;
- l’arrêt de l’envoi d’eau et de l’envoi d’air par les moyens de lavage intermédiaire pendant une première période de repos ;
- l’envoi d’eau par les moyens de lavage intermédiaire à un débit allant de 25 à 50 m/h ; et,
- l’arrêt de l’envoi d’eau par les moyens de lavage intermédiaire pendant une deuxième période de repos.
Préférentiellement, le procédé de lavage comprend également l’envoi d’air par les moyens de lavage bas à travers les couches de médias. Ceci permet de déstabiliser les particules et flocs accumulés dans les différentes couches.
Avantageusement, le procédé de lavage comprend successivement:
- optionnellement, l’envoi d’air à travers les moyens de lavage bas afin de déstabiliser les particules et flocs pendant 1 à 3 minutes, selon un débit variable entre 30 et 70 Nm3 d’air/m2/h ;
- la vidange et évacuation des grosses particules et flocs volumineux accumulés en bas du réacteur pendant 1 à 5 minutes, par le biais des moyens de récupération des eaux de lavage disposés en partie basse.
- l’abaissement du plan d’eau du réacteur afin d’évacuer les particules et flocs accumulés dans les différentes couches pendant 1 à 5 minutes.
- l’envoi d’air et d’eau pendant 1 à 10 minutes à travers une rampe d’air intermédiaire disposée au-dessus de la deuxième couche intermédiaire, selon un débit d’air variable entre 30 et 70 Nm3/m2.h et de façon concomitante d’eau de lavage à une vitesse de 6 à 20 m/h à travers une rampe d’eau disposée également au-dessus de la deuxième couche intermédiaire. A ce titre, et selon une alternative, une seule rampe peut être utilisée pour l’envoi d’air et d’eau de manière concomitante.
- l’arrêt de l’envoi d’air et d’eau pendant 10 à 60 secondes pour permettre aux médias de se déposer. - l’envoi d’eau de rinçage uniquement à travers la même rampe à une vitesse de 25 à 50 m/h pendant 3-10 min.
- l’arrêt de l’envoi d’eau pendant 10 à 60 secondes pour permettre aux médias de se déposer.
Une fois le procédé de lavage terminé, le procédé de traitement d’eau peut être repris.
5. Liste des 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 non limitatif de réalisation de celle-ci, donnée en référence aux dessins, dans lesquels :
- La Figure 1 représente schématiquement une installation selon la présente invention comprenant un réacteur à cinq couches de médias et comprenant des moyens de coagulation et de floculation en ligne.
- La Figure 2 représente schématiquement une installation selon la présente invention comprenant un réacteur à cinq couches et comprenant des moyens de coagulation en ligne et de moyens de floculation en cuve.
6. Description détaillée d'un mode de réalisation
En référence à la Figure 1, l’installation 100 comprend un réacteur 10 adapté pour la décantation et filtration d’une eau à traiter 200 et des moyens de coagulation 201 et de floculation 202 en ligne dans une canalisation d’amenée 101.
Le réacteur 10 comprend un plancher 15, au travers duquel l’eau peut s’écouler librement, sur lequel sont disposés cinq couches superposées de médias 20, 21, 22, 23, 24.
Des moyens d’injection d’eau 11, disposés en bas du réacteur permettent de créer un flux ascendant d’eau à traiter dans le réacteur 10. Des moyens de récupération 13 d’une eau traitée 230 permettent de récupérer l’eau traitée dans une canalisation 103.
Des moyens de lavage intermédiaire 30 sont disposés entre la deuxième couche intermédiaire 22 et la troisième couche intermédiaire 23 et permettent d’injecter de l’eau de lavage 210 et/ou de l’air 211 avec un flux ascendant. Des moyens de lavage bas 31, disposés en partie basse du réacteur 10 sous le plancher 15, permettent d’injecter de l’air 212 avec un flux ascendant. Des moyens bas de récupération 12 des eaux de lavage 220, disposés en partie basse du réacteur permettent de faire la vidange du réacteur et de récupérer des eaux de lavage dans une canalisation 102. Des moyens hauts de récupération des eaux de lavage, disposés en partie haute du réacteur, ici confondus avec les moyens de récupération de l’eau traitée, permettent de récupérer les eaux de lavages arrivant en partie haute du réacteur 10. Des vannes 111 et 112 permettent de contrôler le débit respectivement d’injection d’eau à traiter et le débit de l’eau évacuée par vidange.
La Figure 2 représente une installation 100 dans laquelle la floculation est mise en œuvre dans une cuve 300.
Des essais ont été effectués dans un réacteur dont la colonne formée par les cinq couches de médias a une hauteur de 3,5 mètres et une section de 0,1 m2. Les paramètres (matériau, hauteur de lit, granulométrie) des cinq couches de médias utilisés sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous:
Figure imgf000015_0001
Tableau 1
Le procédé de traitement d’eau a été mis en œuvre avec :
- un dosage de chlorure ferrique (coagulant) de 60ppm (mg/L) ;
- un dosage de polymère (floculant) de 0 mg/L ;
- un flux ascendant d’eau à traiter dans le réacteur de 8m/h
- temps de contact de quelques secondes à 14 minutes : le temps de contact correspond à la réaction de coagulation et de floculation qui permet après l’ajout de coagulant et de polymère, de déstabiliser les particules colloïdales et de créer une agglomération des flocs.
Les résultats obtenus (voir tableau 2 ci-dessous) montrent que la turbidité est strictement inférieure à 1 NTU et se situe plutôt autour de 0.5 NTU.
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000016_0001
Tableau 2

Claims

REVENDICATIONS
1. Réacteur (10) pour la décantation et la filtration d’une eau à traiter (200) comprenant un moyen d’injection (11) de l’eau à traiter (200) disposé en partie basse et un moyen de récupération (13) d’une eau traitée (230) disposé en partie haute, caractérisé en ce que :
le volume intérieur dudit réacteur est rempli, au moins en partie, par au moins cinq couches superposées de médias (20, 21, 22, 23, 24) : une couche la plus inférieure (20), au moins trois couches intermédiaires (21, 22, 23) et une couche la plus supérieure (24);
pour chaque couche, les médias d’une couche supérieure ont une granulométrie strictement inférieure et une densité apparente inférieure ou égale à la granulométrie et à la densité apparente des médias de la couche directement inférieure ;
les médias de la couche la plus inférieure (20) ont une granulométrie allant de 50 à 200 millimètres ; et
les médias des au moins cinq couches superposées de médias (20, 21, 22, 23, 24) sont choisis parmi l’anthracite, le sable, le grenat, la pierre ponce, le charbon actif en grains, la calcite, le dioxyde de manganèse et l’oxyhydroxide de fer.
2. Réacteur (10) selon la revendication 1, dans lequel les médias de la couche la plus supérieure (24) ont une granulométrie allant de 0.4 à 0.9 millimètres.
3. Réacteur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes,
dans lequel le matériau pour les médias de la couche la plus supérieure est choisi parmi du sable, des grains d’anthracite, des grains de charbon actif, de pierre ponce, d’oxyhydroxide de fer ou des grains de matériaux adaptés pour une reminéralisation.
4. Réacteur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- les médias d’une première couche intermédiaire (21) ont une granulométrie comprise entre 10 à 20 millimètres ;
- les médias d’une deuxième couche intermédiaire (22) ont une granulométrie comprise entre 2 à 10 millimètres ; et - les médias d’une troisième couche intermédiaire (23) ont une granulométrie comprise entre 1.0 à 2.0 millimètres.
5. Réacteur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les au moins cinq couches (20, 21, 22, 23, 24) sont superposées sur une hauteur allant de 2.4 à 4.3 mètres.
6. Réacteur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant :
- des moyens de lavage intermédiaire (30), disposés directement en dessous de la couche intermédiaire de granulométrie la plus élevée, permettant d’injecter de l’eau (210) et/ou de l’air (211) à travers les couches de médias les surplombant (23, 24) ;
- des moyens de récupération des eaux de lavage disposés en partie basse ; et,
- des moyens de récupération des eaux de lavage disposés en partie haute.
7. Réacteur (10) selon la revendication 6 comprenant un moyen de lavage bas (31), disposé en partie basse du réacteur (10), permettant d’injecter de l’air (212) à travers lesdites au moins cinq couches de médias superposées (20, 21, 22, 23, 24, 25).
8. lnstallation (100) comprenant un réacteur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, ladite installation comprenant :
- des moyens de mesure du flux d’eau à traiter entrant dans ledit réacteur ; et/ou
- des moyens de mesure du flux d’eau traitée sortant dudit réacteur ; et/ou
- des moyens de mesure de la turbidité de l’eau à traiter entrant dans ledit réacteur ; et/ou
- des moyens de mesure de la turbidité de l’eau traitée sortant dudit réacteur.
9. lnstallation (100) comprenant un réacteur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, ladite installation comprenant en amont dudit réacteur (10) des moyens de coagulation (201), en ligne (101) ou en cuve, et/ou
des moyens de floculation (202), en ligne (101) ou en cuve (300).
10. lnstallation (100) comprenant un réacteur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, ladite installation comprenant en aval dudit réacteur (10) : - des moyens de filtration membranaire et/ou
- des moyens de désinfection de l’eau traitée.
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JP2014018741A (ja) * 2012-07-19 2014-02-03 Kazunori Koishi 微細粒子ろ過材を備えた上向きろ過装置

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