L'invention ~ trait au domaine des eaux usées de tous types â
épurer ainsi qu'à celui des eaux de surface a clarifier. Elle concerne plus spécialement les phases de coagulation ou floculation mises en oeuvre dans de tels traitements.
On sait que la floculation est le procédé physico-chimique de clarification de l'eau consistant a introduire dans cette derniere des réactifs qui provoquent la coagulation des particules collo1dales d'impu-retés en les agglutinant sous forme de flocs pour donne~ ensuite des amas volumineux et lourds prompts a se déposer lors des phases ultérieures de décantation et filtration/flottation de l'eau. Plus précisément, le réactif coagulant s'hydrolyse et précipite en constituant des particules discretes de structure dépendant de la physico-chimie de la solution et de surface spécifique tres importante, souvent de l'ordre de 1 000 m2/g ; celles-ci, dans la turbulence provoquée de la capacité d'eau a traiter, interréagis-sent avec les matieres organiques et les matieres en suspension présentes en neutralisant leur charge de surface pour les absorber en formant un microfloc, germe du futur floc ou amas visible.
En pratique, selon les procédés connus a ce jour, la floculation-coagulation ~st faite en deux phases : tout d'abord une injection d'agent The invention relates to the field of wastewater of all types.
purify as well as that of surface water to be clarified. It relates to more particularly the coagulation or flocculation phases implemented in such treatments.
We know that flocculation is the physico-chemical process of water clarification consisting in introducing into the latter reagents that cause coagulation of colloidal impurity particles retained by agglutinating them in the form of flocs to give ~ then clusters bulky and heavy, quick to deposit in subsequent phases of decantation and filtration / flotation of water. More specifically, the reagent coagulant hydrolyzes and precipitates to form discrete particles structure dependent on the physico-chemistry of the solution and surface very important specific, often of the order of 1000 m2 / g; these, in the induced turbulence of the water capacity to be treated, interacting smelled with organic matter and suspended matter present by neutralizing their surface charge to absorb them by forming a microfloc, germ of the future floc or visible mass.
In practice, according to the methods known to date, the flocculation-coagulation ~ st made in two phases: first an agent injection
2~ ou réactif coagulant dans une capacité de faible volume d'eau a traiter, munie d'un agitateur a grande vitesse, avec un temps de séjour bref de l'ordre de 1 a 1,5 minutes ; puis une phase d'agitation lente, avec brassa-ge limité, dans une capacité ultérieure, pour favoriser le grossissement des flocs, ceci pendant un temps d'au moins 20 minutes.
Dans une telle floculation classique, on distingue : un premier stade de dispersion rapide du coagulant dans l'eau, ou l'apport de l'éner-gie d'agitation pour la dispersion n'a pas encore d'effet sur les colloldes de l'eau qui, par leurs dimensions inférieures ou voisines de 1 micron, ne sont soumis qu'a l'agitation thermique du mouvement brownien ; puis un deuxieme st~de ou les micelles formées grossissent rapidement, du fait de l'agitation lente, et changent de dimension pour atteindre tres vite plusieurs centaines de microns. Les microflocs formés se transforment progressivement en gros flocs a structure lâche qui devront être ensuite transportés dans l'eau a vitesse réduite pour éviter leur rupture avant la décantation ou filtration.
L'analyse des phénomenes résumés ci-dessus montre que le change-ment rapide d'échelle des m;celles formPes (du micron a quelques centaines de microns) empêche tout effet de charge multiplicateur de contacts utiles 1 33787q entre colloides restant en suspension dans l'eau et encore a absorber. On concoit de ce fait l'importance fondamentale des turbulences et de leur qualite pour permettre : la muitiplication des collisions efficaces ~entre les colloides a decharger porteurs de charges negatives, et les particules generees, a charges positives ; puis, au fur et a mesure de 1'annulation des forces de repulsion electrostatiques entre colloides au profit des forces de cohesion ou attraction (forces dites de Van der Waals), la for-mation de micelles ou granules de quelques dizaines de microns.
Constatant que,dans la floculation conventionnelle, les quantites de reac~ifs injectes ne sont pas utilisees totalement, l'invention a precisement pour but d'optimiser cette operation de floculation en cherchant a provoquer dans tout le volume de la capacite a traiter, sous agitation rapide, le maximum de collisions entre les colloides resultant de l'hydro-lyse de l'agent coagulant et les particules d'impuretes à absorber.
Un autre but, vise par l'invention, consiste a economiser la dose habituellement utilisee de reactif coa~ulant, determinee a l'avance -comme on le sait- suivant le type d'eau a traiter par la methode du Jar-test (ou autre~, ainsi qu'a redui~e la periode totale de temps necessaire a une parfaite floculation.
Conformement aux caracteristiques principales du procede de l'in-vention, on injecte le coagulant selon une dose inferieure d'au moins 30 %
a la dose normale predeterminee, dans au moins deux capacites de contact disposes en serie et munies chacune d'un agitateur rapide generant des microturbulences a vitesse peripherique de 0,8 a 3 m/s. L'etape ulterieure d'agitation lente ou semi-rapide en capacite separee, selon la methode classique, est effectuee ensuite en temps reduit d'au moins 50 % par rapport a la periode normale.
Ainsi, l'invention vise, tout en reduisant notablement la quantite de reactif coagulant, a augmenter la duree -grâce a des capacites ou reac-teurs en serie- de la periode cruciale d'adsorption tant que la surface disponible est grande, le nombre de particules important et que la probabi-lite de capture de la pollution est donc maximale.
Cette probabilite de capture est bien sûr d'autant plus grande que les turbulences crees, se rapprochant de la dimension des particules presentes, augmenteront le nombre de chocs utiles. Pour ce faire, conforme-ment a l'invention, on utilise dans lesdites capacites ou s'effectuent l'in-jection de coagulant puis la coagulation, des mobiles ou agitateurs specia-lement concus pour generer par rotation des turbulences de tres courtes -longueurs.
Ces mobiles, de type connu sous l'appellation "a pales minces" ou "sabre", sont caracterises ic~i en ce que les pales minces sont munies, de preference sur leur bord de fuite, d'un peigne a fine dentelure dont les dents sont a nombre de Reynolds egal. Le nombre ainsi que la longueur et la hauteur des dents, lesquelles sont inegales d'une dent a l'autre, sont calcules de maniere a generer en rotation, où leur vitesse peripherique est egalement inegale d'une dent a l'autre, des turbulences egales et de courte longueur. Ainsi, dans une fourchette de vitesses peripheriques choisies, le nombre de Reynolds de chacune des dents est le même, quelle que soit la distance entre une dent et l'axe de rotation.
En pratique la hauteur des fines dents, disposees preferentielle-ment sur le bord de fuite de chaque pale, est decroissante depuis l'axe de rotation du mobile jusqu'a l'extremite opposee de la pale et les inter-valles entre chaque dent peuvent varier entre 1 et 10 mm, selon le choixde la vitesse angulaire du mobile. Selon une variante, l'espace interdents peut être prevu ajustable, par exemple par glissement du peigne devant un masque. Chaque mobile ou agitateur peut comporter deux, trois, voir quatre pales minces disposees sur l'axe ou encore plusieurs mobiles peuvent être superposes en hauteur. Selon une autre variante, le peigne fixe ou ajusta-ble, preferentiellement prevu sur le bord de fuite, peut aussi être fixe sur le bord d'attaque de chaque pale.
Ainsi,avec le procede, l'on conçoit bien l'amelioration que peut apporter une agitation capable d'assurer avec le même mobile une premiere fonction de pompage avec mise en mouvement de fluide~ et une deuxieme f~nc tion de barriere de turbulences fines que les particules, transportees par le fluide, devront necessairement traverser donc subir. Avantage non neqli-geable du procede : l'adjonction du peigne generateur de turbulences cour-tes, isotropiques, entraîne pour les pales du mobile un coefficient de traînee nettement plus faible que lorsque les mêmes pales sont nues ; d'ou economie nette de puissance a debit de pompage egal, et ce bien sûr d'au-tant plus que les mobiles seront de diametres importants.
Avantageusement, pour les agitateurs mis en oeuvre, on doit avoir un rapport entre le diametre des pales et la distance entre les parois laterales de chaque capacite, au moins egal a 0,7. Bien entendu, comme dit ci-dessus, plusieurs mobiles entraines par un seul agitateur peuvent être superposes lorsqu'une ou plusieurs des capacites de reaction en serie .
sont concues avec une hauteur de dimension 1,5 a 2 fois (ou plus) plus importante que la distance entre parois latérale~ (ou diametre lorsqu'il s'agit d'une cuve circulaire~.
D'une facon generale, peuvent servir de base au type d'agita-tion souhaitee, tous types de mbbiles ou agitateurs multipales pourvu que ces derniers aient une forme interdisant les phénomenes de cavita-tion de fluide et limitant au maximum l'accrochage des "filasses" ouamas de flocs. Les vitesses de rotation des agitateurs peuvent être commandées manuellement ou automatiquement de maniere a maintenir a son optimum la qualité des turbulences secondaires de faible échelle par action sur les turbulences primaires, en fonction de la qualité phyico-chimique de l'eau a traiter et des résultats a obtenir.
En pratique, les capacités de contact sont au moins au nombre de deux et de préférence trois, disposées en serie et l'on maintient l'agitation rapide dans chacune pendant des temps variant entre 0,5 et 2 ~ or coagulating reagent in a capacity of low volume of water to be treated, equipped with a high speed agitator, with a short residence time of in the range of 1 to 1.5 minutes; then a slow stirring phase, with limited age, in a later capacity, to favor the magnification flocs, for a period of at least 20 minutes.
In such a classic flocculation, a distinction is made: a first stage of rapid dispersion of the coagulant in water, or the contribution of energy agitation for dispersion has no effect on the colloldes yet water which, by their dimensions less than or close to 1 micron, does not are subject to thermal agitation of the Brownian motion; then a second st ~ of or the micelles formed grow rapidly, due to slow agitation, and change dimension to reach very quickly several hundred microns. The formed microflocs are transformed gradually in large flocks with loose structure which must then be transported in water at reduced speed to avoid breaking before decantation or filtration.
Analysis of the phenomena summarized above shows that the change-rapid scale of m; those formed (from a micron to a few hundred of microns) prevents any load multiplier effect of useful contacts 1 33787q between colloids remaining suspended in water and still to be absorbed. We thereby understands the fundamental importance of turbulence and its quality to allow: the multiplication of effective collisions ~ between the colloids to be discharged carrying negative charges, and the particles genera, with positive charges; then, as and when canceled electrostatic repulsion forces between colloids for the benefit of cohesion or attraction forces (so-called Van der Waals forces), the mation of micelles or granules of a few tens of microns.
Noting that, in conventional flocculation, the quantities of reac ~ ifs injected are not used completely, the invention has precisely for the purpose of optimizing this flocculation operation by seeking to cause throughout the volume of the capacity to be treated, with stirring fast, maximum collisions between colloids resulting from hydro-lysis of the coagulating agent and the impurity particles to be absorbed.
Another object, aimed at by the invention, consists in saving the dose usually used with coa ~ ulant reagent, determined in advance - as we know it - depending on the type of water to be treated by the Jar-test method (or other ~, as well as reduced ~ the total period of time necessary for a perfect flocculation.
In accordance with the main characteristics of the information process vention, the coagulant is injected at a lower dose of at least 30%
at the predetermined normal dose, in at least two contact capacities arranged in series and each provided with a rapid agitator generating microturbulence at peripheral speed from 0.8 to 3 m / s. The next step slow or semi-rapid agitation in separate capacity, depending on the method conventional, is then carried out in a time reduced by at least 50% compared to at the normal period.
Thus, the invention aims, while significantly reducing the amount of coagulating reagent, to increase the duration -thanks to capacities or reac-tors in series- the crucial period of adsorption as long as the surface available, the number of particles is large and the probability The pollution capture lite is therefore maximum.
This probability of capture is of course all the greater that the turbulence created, approaching the particle size present, will increase the number of useful shocks. To do this, conform-ment to the invention, one uses in said capacities or is carried out the coagulant jection then coagulation, mobiles or special agitators Slightly designed to generate very short turbulence by rotation -lengths.
These mobiles, of the type known as "thin blades" or "saber", are characterized ic ~ i in that the thin blades are provided with preferably on their trailing edge, a comb with fine serration whose teeth are equal to Reynolds number. The number as well as the length and the height of the teeth, which are unequal from one tooth to another, are computations so as to generate in rotation, where their peripheral speed is also uneven from tooth to tooth, equal turbulence and short length. So in a range of peripheral speeds chosen, the Reynolds number of each tooth is the same, whatever whatever the distance between a tooth and the axis of rotation.
In practice the height of the fine teeth, preferential arrangements-ment on the trailing edge of each blade, decreases from the axis of rotation of the mobile to the opposite end of the blade and the inter-valles between each tooth can vary between 1 and 10 mm, depending on the choice of the angular speed of the mobile. Alternatively, the interdental space can be provided adjustable, for example by sliding the comb in front of a mask. Each mobile or agitator can have two, three or even four thin blades arranged on the axis or several mobiles can be overlapping in height. According to another variant, the fixed or adjustable comb ble, preferably provided on the trailing edge, can also be fixed on the leading edge of each blade.
Thus, with the process, one can well understand the improvement that can provide agitation capable of ensuring a first with the same mobile pumping function with setting in motion of fluid ~ and a second f ~ nc tion of fine turbulence barrier as the particles transported by the fluid, will necessarily pass through therefore undergo. Non-neqli- advantage geable of the process: the addition of the comb generating turbulence short-tes, isotropic, causes for the blades of the mobile a coefficient of significantly lower drag than when the same blades are bare; from where net power savings at equal pumping rate, and of course more as long as the mobiles will be of large diameters.
Advantageously, for the agitators used, one must have a relationship between the diameter of the blades and the distance between the walls lateral of each capacity, at least equal to 0.7. Of course, as said above, several mobile drives by a single agitator can be overlapped when one or more of the serial reaction capabilities .
are designed with a height of dimension 1.5 to 2 times (or more) more important that the distance between side walls ~ (or diameter when it is a circular tank ~.
In general, can serve as a basis for the type of agitation-tion desired, all types of mbbiles or multi-blade agitators provided that the latter have a form prohibiting the phenomena of cavita-tion of fluid and limiting as much as possible the attachment of "wads"
of flocs. The rotational speeds of the agitators can be controlled manually or automatically so as to maintain at its optimum the quality of small-scale secondary turbulence by action on primary turbulence, depending on the physico-chemical quality of the water to be treated and results to be obtained.
In practice, there are at least the contact capacities two and preferably three, arranged in series and maintained rapid agitation in each for times varying between 0.5 and
3 minutes, avantageusement autour de deux minutes dans chaque capacite.
Les réactifs coagulants sont de type classique, par exemple sel de fer comme le chlorure ferrique ou un sel d'alumine mais, comme dit ci-dessus, on diminue d'au moins 30 ~, et avantageusement de 50 % environ, les doses normalement necessaires telles que déterminées au préalable au Jar-test.
Ainsi, on empêche la formation prématurée de flocs et on limite leur vo-lume grâce a cette combinaison d'un sous-dosage du taux de coagulant et d'une qualite particuliere d'agitation.
Apres cette phase de coagulation prolongée dans des capacités en série et sous turbulence optimum pour éviter les zones mortes et interdire les courts-circuits hydrauliques, on provoque, dans la capa-cité ultérieure d'agitation lente ou semi-rapide, le grossissement des flocs par pontage entre eux puis la réticulation en une texture dense et grenue, où les inclusions d'eau sont réduites. Malgré le temps de grossissement reduit de moitie par rapport aux techniques conventionnel-les, les flocs obtenus selon le procédé de l'invention ont une vitesse de décantation importante et ils peuvent être transportés sans ménage-ment du floculateur au décanteur ultérieur et/ou flottateur.
On peut avantageusement introduire, dans cette capacité a agitation lente ou semi-rapide, un floculant par exemple de type polymere synthétique, alginate, amidon ou autre adjuvant, notamment lorsqu'il s'agit de traiter une eau de surface.
Dans le but de mieux faire comprendre et d'illustrer l'interet du procédé selon l'invention, on résumera ci-dessous les résultats d'essais comparatifs de floculation entre la méthode classique connue mettant en oeuvre une cuve a agitation rapide (A.R.) puis une cuve d'agitation lente 5 (A.L.) pour la floculation proprement dite et la technique de l'invention où l'on a utilise ici trois bacs (ou capacités) agités et de faible volume pour la premiere phase (A.R.) et un bac de dimension réduite A.L. pour la deuxieme phase.
Selon la premiere série d'exemples, on a travaillé sur une eau 10 de surface a clarifier (ici une eau brute de la Seine) dans les conditions et avec les resultats consignés dans le tableau 1 ci-apres:
Tableau 1 Taux coagulant Durée A.R. Durée A.~. ~urée Turbidite (ppm) (mm) (mm) totale eau apres (mm) décantation Méthode lS 1 a 1,5 20 21-21,5 4 NTU
classique -id- 25 1 a 1,5 20 21-21,5 1,8 NTU
invention 15 6 6 12 1,8 NTU
ppm = parties par million 20 mn = minute N.T.U. = Nephelometry Turbidity Unit La dose nécessaire de coagulant, telle que définie au "jar-test", pour obtenir une turbidité donnée (ici 1,8 NTU) étant de 25 ppm, on peut cons-tater d'apres le tableau ci-dessus qu'en diminuant la dose à 15 ppm, selon 25 le travail en méthode classique, on obtient une turbidité de l'eau plus de deux fois plus importante que la norme désirée. En travaillant selon l'in-vention, avec cette meme dose réduite de 15 ppm mais avec une première pha-se de coagulation prolongée (6 mm au lieu de 1,5) et une deuxième phase de temps réduit (6 mm au lieu de 21) on obtient le résultat désiré de 1,8 NTU
30 pour la turbidité.
On notera par ailleurs qu'outre une economie de reac-tion coagulant le procéde selon l'invention permet de diminuer notablement le volume total de l'ouvrage de conditionnement par coagulation-floculation: ce volume est en effet proportionnel au temps de sejour de l'eau dans les capacites de conditionne-ment soit deux fois trois minutes sous agitation rapide et six minutes sous agitation semi-rapide dont douze minutes environ selon l'invention (pour une à deux minutes d'agitation rapide et environ 20 .,~
-- 1 33787~
minutes d'agitation lente en floculation conventionnelle).
Selon une deuxieme série d'essais comparatifs, on a opéré cette fois-ci sur une eau usée (ici une eau urbaine d'égoûts) selon les coordon-nées résumées dans le tableau 2 ci-apres :
Tableau 2 Taux coagulant Durée A.R. Durée A.L. Durée Turbidité
(ppm) (mm) (mm) totale eau apres (mm) décantation Méthode 150 1 a 1,5 20 21 a 21,5 18 a 20cl assique Invention 70 6 4 10 18 a 20 MES = matieres en suspension Le taux de coagulant normalement nécessaire (mesuré au jar-test) était ici de 150 ppm et l'on peut voir, d'apres ces résultats, que le procédé
de l'invention a permis de réduire de plus de moitié la quantité de coagulant pour l'obtention des mêmes résultats souhaités en eau décantée (quantité de MES) ; ceci toujours avec la même économie en investissements du fait de la diminution de volume des capacités de traitement.
Enfin, le tableau ci-apres montre l'économie de puissance que permet l'adjonction au mobile d'un dispositif a peigne selon l'invention, a qualité d'eau obtenue égale~ apres décantation 10 mm (mesurée par analyses des MES et turbidité résiduelle) Exemple : essais en dynamique avec débit d'eau a traiter = 5 m3/h Vitesses périphérique Tours/s Couple Puissance du mobile m/s Newton/m dissipée dans l'eau Avec dispositif 1,2 - 1,09 0,53 3,64 W
Sans dispositif 2,0 1,48 1,48 16,9 W 3 minutes, preferably around two minutes in each capacity.
The coagulating reagents are of conventional type, for example iron salt like ferric chloride or an alumina salt but, as said above, the doses are reduced by at least 30 ~, and advantageously by approximately 50%
normally necessary as determined beforehand at the Jar-test.
This prevents the premature formation of flocs and limits their vo-lume thanks to this combination of an underdosing of the coagulant level and of a particular quality of agitation.
After this prolonged coagulation phase in capacities in series and under optimum turbulence to avoid dead zones and prohibit hydraulic short circuits, it causes, in the capa-later cited slow or semi-rapid agitation, the magnification of flocs by bridging between them then crosslinking into a dense texture and grainy, where water inclusions are reduced. Despite the time of magnification reduced by half compared to conventional techniques-the, the flocs obtained according to the process of the invention have a speed significant settling and they can be transported without cleaning-ment from the flocculator to the subsequent settling tank and / or flotation.
It is advantageous to introduce into this capacity a slow or semi-rapid agitation, a flocculant for example of the polymer type synthetic, alginate, starch or other adjuvant, especially when is to treat surface water.
In order to better understand and illustrate the interest of the process according to the invention, the test results will be summarized below flocculation comparisons between the known conventional method using operates a rapid agitation tank (AR) then a slow agitation tank 5 (AL) for flocculation proper and the technique of the invention where we used here three tanks (or capacities) agitated and of low volume for the first phase (AR) and a reduced size bin AL for the second phase.
According to the first series of examples, we worked on a water 10 of surface to be clarified (here raw water from the Seine) under the conditions and with the results recorded in table 1 below:
Table 1 Coagulant rate Duration AR Duration A. ~. ~ Turbidite urea (ppm) (mm) (mm) total water after (mm) decantation LS method 1 a 1.5 20 21-21.5 4 NTU
classic -id- 25 1 to 1.5 20 21-21.5 1.8 NTU
invention 15 6 6 12 1.8 NTU
ppm = parts per million 20 min = minute NTU = Nephelometry Turbidity Unit The necessary dose of coagulant, as defined in the "jar-test", for obtaining a given turbidity (here 1.8 NTU) being 25 ppm, we can con-tater according to the table above only by reducing the dose to 15 ppm, depending 25 the work in conventional method, one obtains a turbidity of the water more than twice as large as the desired standard. By working according to the in-vention, with this same dose reduced by 15 ppm but with a first phase prolonged coagulation (6 mm instead of 1.5) and a second phase of reduced time (6 mm instead of 21) the desired result of 1.8 NTU is obtained 30 for turbidity.
It should also be noted that in addition to an economy of reac-coagulating the process according to the invention makes it possible to reduce notably the total volume of the packaging work by coagulation-flocculation: this volume is indeed proportional at the time of stay of the water in the conditioning capacities two times three minutes with rapid agitation and six minutes with semi-rapid stirring including about twelve minutes according to the invention (for one to two minutes of rapid agitation and about 20 ., ~
- 1 33787 ~
minutes of slow agitation in conventional flocculation).
According to a second series of comparative tests, we operated this times on waste water (here urban sewage water) according to the coordinates born summarized in table 2 below:
Table 2 Coagulant rate Duration AR Duration AL Duration Turbidity (ppm) (mm) (mm) total water after (mm) decantation Method 150 1 to 1.5 20 21 to 21.5 18 to 20cl assic Invention 70 6 4 10 18 to 20 MES = suspended matter The level of coagulant normally necessary (measured in the jar-test) was here of 150 ppm and we can see from these results that the process of the invention has reduced the amount of coagulant to obtain the same desired results in decanted water (quantity of MES); always with the same investment savings due to the decrease in volume of processing capacities.
Finally, the table below shows the power saving that allows the addition to the mobile of a comb device according to the invention, a water quality obtained equal ~ after decantation 10 mm (measured by MES analyzes and residual turbidity) Example: dynamic tests with water flow to be treated = 5 m3 / h Peripheral speeds RPM Torque Power of the mobile m / s Newton / m dissipated in the water With device 1.2 - 1.09 0.53 3.64 W
Without device 2.0 1.48 1.48 16.9 W