Procédé de traitement d'eau par floculation-décantation lestée comprenant une mesure en continu du lest et installation correspondante.

L'invention concerne le domaine du traitement de l'eau et trouve notamment son application dans le cadre des procédés de traitement des eaux usées en particulier ceux mettant en oeuvre une floculation-décantation.

Ces procédés consistent à ajouter aux eaux usées un ou plusieurs réactifs permettant de floculer au moins une grande partie des matières polluantes présentes dans les eaux, puis à séparer les flocs ainsi formés de l'eau purifiée.

Selon un type d'installation perfectionnée, des moyens d'apport d'au moins un matériau granulaire plus dense que l'eau, tel que du sable, sont prévus de façon à lester les flocs en question et ainsi favoriser et accélérer la décantation de ceux-ci. Un tel dispositif est notamment décrit dans le document de brevet français publié sous le numéro FR2627704.

Le lest, usuellement du sable fin de diamètre moyen compris entre 60 et 300 micromètres, est introduit dans l'eau à traiter en amont ou pendant la phase de floculation avec un réactif de floculation, afin de constituer un floc pondéreux et apte à décanter plus rapidement, avec des vitesses « au miroir » pouvant dépasser 15 m/h, et même parfois lOOm/h.

Après décantation, le lest est séparé de l'essentiel des boues constituant le reste du floc - qui sont extraites de l'installation - tandis que le lest est recyclé en tête de l'installation.

Nous dénommerons ci après par les mots de « floculation décantation lestée », « floculation lestée », ou « décantation lestée », les techniques de floculation décantation lestée d'un ballast particulaire fin plus dense que l'eau et insoluble dans l'eau. Nous appellerons également sable le lest, quel qu'il soit, sable ou autre matériau granulaire pondéreux.

Pour une eau de caractéristiques données (type d'eau, concentration en

Matières En Suspensions MES et en polluants divers), pour un type de lest donné

(taille, densité, composition) et pour un réactif de floculation donné, la floculation décantation lestée fonctionne de manière optimale lorsque la

concentration moyenne en sable dans la zone de floculation, qui peut être représentée par le taux de sable (kg de sable recyclé dans la zone de floculation par m3 d'eau entrant dans cette zone pendant le même temps), est maintenue dans une gamme de concentration donnée. Pour les eaux usuellement traitées, la concentration optimale reste comprise entre 1 et 20 kg de sable/m3, le plus souvent autour de 3 à 10kg/m3.

L'expérience de ces procédés montre que la concentration en sable dans la zone de floculation a tendance à varier dans le temps, notamment pour les raisons suivantes : - une partie du lest circulant dans le système peut s'échapper avec l'eau traitée, soit du fait que ce lest est constitué d'une très fine particule de sable attachée à un floc très léger ayant tendance à flotter, soit du fait que la particule de lest ne se soit pas intégrée dans un floc lors de la phase de floculation, et ait tendance à décanter moins vite que les flocs lestés, soit encore du fait que certains flocs lestés n'aient pas le temps de décanter dans la zone de décantation du fait de court-circuits hydrauliques locaux ;

- une autre partie du lest circulant dans le système peut s'échapper aussi avec les boues extraites du système. En effet une certaine proportion de sable, fonction de la taille des particules et du pouvoir de coupure des hydrocylones usuellement utilisés pour séparer le sable des boues en excès avant recyclage du sable, peut s'échapper en surverse des hydrocyclones. Un bouchage accidentel de la sousverse d'un hydrocyclone peut également se traduire rapidement par la perte d'une certaine quantité de sable avec les boues ;

- la variation des conditions hydrauliques, par exemple une augmentation du débit d'eau en traitement, peut se traduire par une variation de la concentration en sable dans la zone de floculation, par exemple une diminution de celle ci, particulièrement lorsque le sable est ramené au point centre-bas du fond du décanteur par un racleur qui peut introduire un effet de stockage de sable en fond de décanteur.

Avec le type d'installation mentionné précédemment, le contrôle de la concentration en matériau granulaire dans le fluide en cours de traitement est effectué usuellement soit par échantillonage direct dans la zone de floculation, et en mesurant la concentration en matériau granulaire, soit en divisant le flux de matériau granulaire (en kg/h) recyclé pour lester le floc par le débit d'eau traitée

(en m ³ /h). Le flux de matériau granulaire est mesuré en sousverse de l'hydrocyclone de recyclage.

Cette manière de procéder présente toutefois des inconvénients, et notamment : - les mesures de concentration de sable par échantillonnage sur les souverses des hydrocyclones sont difficiles à exécuter (les sousverses d'hydrocyclonage étant constituées de jets de boues, sable et eau mélangés, pouvant prendre des formes différentes de jet en corde ou en parapluie en fonction des débits instantanés) et peuvent donner des résultats non comparables d'un opérateur à un autre, et donc difficilement exploitables ;

- l'exploitant travaille en aveugle entre deux mesures, et ne peut pas réagir à des incidents d'exploitation (par exemple bouchage d'un hydrocyclone) survenant entre deux mesures : l'installation peut perdre une partie importante de son sable avant que l'exploitant n'ait eu l'opportunité de réagir ; - ce type de mesures manuelles est peu agréable à réaliser, est consommateur de temps, et donc coûteux pour une efficacité limitée.

Afin de minimiser le risque de perte en sable entre deux mesures de concentration, une technique décrite dans le document de brevet publié sous le numéro FR 2 815 714 propose d'installer des dispositifs de décantation sur tout ou partie des boues extraites des hydrocyclones. La hauteur de sable décanté est mesurée périodiquement, par exemple toutes les 15 minutes, et le sable décanté évacué par ouverture d'une vanne de fond de cuve après la mesure. Lorsqu'une hauteur anormale de sable est détectée pendant la période de mesure (en l'occurence 15 minutes), une alarme informe l'opérateur d'une perte de sable anormale et lui permet d'intervenir plus rapidement.

Ce type de dispositif conserve cependant divers inconvénients :

- il ne fonctionne que de manière semi continue (avec une période de 15 minutes dans l'exemple décrit ci-dessus), et ne permet donc pas une réaction immédiate, ce qui peut entraîner des pertes de sable non négligeables en cas de bouchage inopiné de la sousverse d'un hydrocyclone par exemple ;

- il détecte des pertes de sable importantes et anormales, mais ne permet pas de mesurer ou de calculer en continu la variation de concentration de sable dans la zone de floculation, ni de réagir automatiquement à ces variations pour les compenser ; cette technique vise donc essentiellement la détection d'un fonctionnement anormal, mais ne permet pas de corriger de faibles variations en vue d'optimiser le fonctionnement ;

- il est réalisé en chaudronnerie fine, et donc relativement onéreux.

Ces inconvénients s'expliquent du fait notamment que la mesure est effectuée sur la surverse de l'hyrocyclone, cette surverse ne contenant le lest qu'en très faible quantités.

En outre, on note que cette technique n'effectue pas la mesure sur le lest pendant la recirculation de celui-ci.

En d'autres termes, cette technique implique la mise en œuvre d'une dérivation des moyens de recirculation du lest, la mesure s 'effectuant sur le lest dérivé, en parallèle de la recirculation de l'essentiel du lest.

Outre la faible réactivité de cette technique, celle-ci implique donc la mise en oeuvre d'une sous-installation de mesure, induisant des coûts d'installation importants.

L'invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'art antérieur.

Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer une technique de contrôle en continu de la concentration en lest dans la zone de floculation d'une installation de floculation-décantation lestée.

L'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui permette de détecter rapidement des variations de lest en vue de les compenser et d'optimiser le rendement de l'installation de traitement d'eau.

L'invention a aussi pour objectif de fournir une telle technique qui soit peu onéreuse à mettre en œuvre, en particulier en ce qu'elle évite la fabrication et la mise en œuvre d'équipements spécifiques lourds tels que des colonnes de décantation dans lesquelles la hauteur de lest est mesurée selon la technique décrite en référence à l'art antérieur.

Un autre objectif de l'invention est de fournir une telle technique qui soit simple de conception et facile à mettre en œuvre, en particulier sur des installations existantes.

Ces objectifs ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un procédé de traitement d'eau par floculation/décantation comprenant des étapes d'injection et de recirculation d'un lest, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mesure en continu de la concentration dudit lest et une étape de comparaison de ladite mesure avec des valeurs de référence.

Ainsi, contrairement à la technique antérieure, la mesure continue permet de compenser rapidement les variations détectées et d'assurer un rendement optimal de l'installation de traitement. L'invention ne se limite donc pas à une détection de fonctionnement anormal comme c'est le cas avec la technique antérieure.

L'invention a également pour objet une installation de traitement d'eau pour la mise en œuvre du procédé décrit précédemment, comprenant : - au moins une zone de floculation pourvue de moyens d'amenée d'un lest et de moyens d'agitation ;

- au moins une zone de décantation pourvue d'une zone de récupération d'un mélange de boues et de lest et de moyens d'évacuation d'eau clarifiée ; - des moyens de recirculation dudit lest, en mélange avec lesdites

boues et/ou séparé desdites boues, vers des moyens de réinjection de l'essentiel dudit lest recirculé dans et/ou en amont de ladite zone de floculation, caractérisée en ce qu'elle inclut au moins un capteur de mesure d'un paramètre corrélé à la concentration dudit lest, ledit ou lesdits capteurs étant situés dans une zone de ladite installation dans lequel ledit lest est en circulation continue.

Selon un premier mode de réalisation, ledit ou lesdits capteurs sont situés sur lesdits moyens de recirculation.

Selon un deuxième mode de réalisation, ledit ou lesdits capteurs immergés dans ladite zone de floculation et/ou en sortie de celle-ci.

Ainsi, l'invention propose d'effectuer une mesure soit sur les moyens de recirculation du lest, c'est-à-dire dans une partie de l'installation où le lest est présent en grandes quantités, soit directement dans la zone de floculation, c'est à dire à l'emplacement où la concentration en lest influe directement sur la qualité des flocs formés.

Cela permet une mesure en continu des variations de concentration du lest, avec par conséquent une grande réactivité.

Contrairement à l'art antérieur décrit dans le document de brevet publié sous le numéro FR-2 815 714, la mesure est effectuée efficacement et rapidement, ceci sur le circuit de recirculation du lest ou directement dans la zone de floculation, c'est-à-dire sans dérivation du circuit du lest et sans nécessité de sous-installation spécifique (colonnes de décantation du lest).

Selon une première variante de réalisation, ledit capteur est un capteur débimètre massique à effet Coriolis. Un capteur de ce type, montre une grande précision et une bonne fiabilité de mesure et engendre une maintenance aisée.

Selon une deuxième variante de réalisation préférée, ledit capteur est un capteur à ultrasons.

Un tel capteur se distingue par sa facilité d'installation, de calibrage et de maintenance, et présente une grande précision et une bonne fiabilité de la mesure, ceci pour un faible prix.

Selon une troisième variante de réalisation, ledit capteur est un capteur acoustique avec analyse de bruit.

Un tel capteur peut par exemple être à cellule piézoélectrique, permettant de mesurer la concentration en particules solides par analyse du bruit provoqué par ces particules en frappant la paroi sur laquelle est implanté le capteur.

Selon une solution avantageuse, lesdits moyens de recirculation comprennent des moyens de séparation boues/lest situés en amont de ladite zone de floculation.

Dans ce cas, lesdits moyens de séparation boues/lest comprennent préférentiellement au moins un hydrocyclone.

Selon une première variante, ledit capteur est situé sur lesdits moyens de recirculation en amont dudit hydrocyclone.

Selon une deuxième variante, ledit capteur est situé sur lesdits moyens de recirculation en sousverse dudit hydrocylone.

Selon une autre solution envisageable, lesdits moyens de recirculation sont prévus pour recirculer ledit lest en mélange avec lesdites boues jusqu'à ladite zone de floculation. Dans ce cas, les moyens de séparation boues/lest ne fonctionnent que périodiquement, ou encore sont installés sur un circuit de recirculation fonctionnant en parallèle.

Dans le cas où le ou les capteurs sont immergés dans la zone de floculation et/ou en sortie de celle-ci, le capteur est préférentiellement un capteur à absorption d'infra-rouge.

Un tel capteur permet de mesurer avec une bonne fiabilité la concentration en matières solides en suspension dans la gamme de concentration usuelle de la zone de floculation.

Avantageusement, ledit lest est constitué par du sable fin dont les particules présentent un diamètre moyen compris entre environ 60 micromètres

et environ 300 micromètres.

Préférentiellement, l'installation comprend des moyens de traitement de données issues dudit ou desdits capteurs incluant des moyens de comparaison desdites données avec des seuils prédéterminés. Dans ce cas, selon plusieurs caractéristiques avantageuses envisageables, prises seules ou en combinaison, lesdits moyens de comparaison sont couplés à :

- un groupe moto-pompe de ladite zone de récupération de façon à enclencher/stopper ledit groupe moto-pompe en fonction de ladite comparaison desdites données avec lesdits seuils ; - une alarme susceptible d'être déclenchée en fonction de ladite comparaison desdites donnés avec lesdits seuils ;

- un moyen de calcul de la concentration en lest en un point donné de l'installation (par exemple dans la zone de floculation, ou au point de mesure) en se basant sur la corrélation établie entre le paramètre mesuré par le capteur et la concentration en lest au point de mesure.

- un moyen de calcul de la perte en lest basé sur la pente de la courbe représentant la concentration en fonction du temps.

- un moyen d'injection d'un appoint en lest susceptible d'être activé/désactivé en fonction de ladite comparaison desdites données avec lesdits seuils.

- ladite zone de floculation de façon à stopper/autoriser le fonctionnement de celle-ci.

Selon une autre caractéristique avantageuse, lesdits moyens de traitement de données sont couplés à au moins un moyen d'affichage de la concentration calculée en lest pour au moins un point de l'installation.

Selon encore une autre caractéristique avantageuse, lesdits moyens de traitement de données comprennent des moyens de calcul de la perte en lest à partir d'une courbe représentant la concentration en lest en fonction du temps.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation

préférentiel de l'invention et ou de plusieurs de ses variantes, donnés à titres d'exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels :

- la figure 1 est une représentation schématique d'une installation de traitement d'eau selon un premier mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 2 est une représentation schématique d'une installation de traitement d'eau selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

Tel qu'indiqué précédemment, le principe de l'invention réside dans le fait de mesurer, dans une installation de traitement d'eau par floculation- décantation lestée, un paramètre corrélé à la concentration du lest, sur le circuit de recirculation du lest, pendant la recirculation de celui-ci.

Une installation selon l'invention est du type comprenant :

- au moins une arrivée 1 d'eau à traiter, au moins un tank 4 de floculation agité, dans lequel sont injectés au moins un réactif de floculation par un moyen d'injection 2 et un retour d'un lest (ou ballast) tel que du sable fin par un moyen d'injection 3 ;

- un bac de décantation 5, muni ou non de lamelles de décantation 15, et pourvu de moyens d'évacuation d'eau clarifiée 6, ainsi que d'une zone de récupération 51 , d'un mélange de boues et de lest ;

- un circuit de recirculation 7 ;

- du mélange de sable et boues décanté, à l'aide d'une pompe d'extraction 10 ;

- au moins un hydrocyclone permettant la séparation et le recyclage de sable avant envoi de l'excédent de boues par les moyens vers des moyen de stockage et de traitement ultérieurs,

Tel que cela apparaît, le circuit de recirculation 7 prévoit la re-injection de l'essentiel du lest recirculé par la sousverse 3 de l'hyrocyclone.

Selon une variante, l'extraction du mélange sable/boues est réalisée par une pompe lObis et une conduite 7bis prévues pour réinjecter le mélange

directement dans la cuve de floculation 4, sans passer par l'hydrocyclone 8.

Selon le principe de l'invention, un capteur de mesure d'un paramètre corrélé à la concentration du sable est installé.

Pour cela un capteur 11 est prévu sur le circuit de recirculation, en amont de l'hydrocyclone, le sable étant donc en mélange avec les boues.

Selon une variante envisageable, le capteur est prévu sur le circuit de réinjection du sable, en sousverse 3 de l'hydrocyclone 8.

Selon encore une variante envisageable, un capteur 11 bis est monté sur la conduite de recirculation 7bis, en amont du point de re-injection du mélange sable/boues dans la cuve 4.

Le (ou les) capteur(s) 11, 1 Ibis sont préférentiellement du type appartenant au groupe suivant :

- débitmètre massique à effet Coriolis, tels que ceux commercialisés par la société Krohne (Optimass 7100 (marques déposées), ou par la société Endress Hauser (Promass 83F (marques déposées);

- densimètre à ultrason, mesurant l'atténuation de la transmission d'un signal ultrasonore, tels que ceux commercialisés par la société Solarton Mobrey (MSM 400, marques déposées) ;

- capteur acoustique avec analyse du bruit produit par les particules solides heurtant la paroi de la tuyauterie, tel que ceux commercialisés par la société Roxar (SAM 400-TC, marques déposées). On note que dans le cas d'utilisation de densimètre ou de capteur acoustique, l'installation comporte également un moyen, non représenté sur la figure, de mesure du débit transitant dans le circuit équipé du densimètre à ultrasons.

Les capteurs du type mentionné précédemment permettent l'obtention de résultats satisfaisants et ont été sélectionnés, notamment compte tenu de la nature du mélange de boues et de sable, avec des variations de la concentration de boue entre 0 et 20g/l, et des variations de la concentration de sable entre 0 et 600g/l, une série de tests ayant été effectuée sur divers types de capteurs.

Les tests effectués sur différents capteurs ont notamment montré que les capteurs basés sur l'absorption infrarouge fonctionnent mais ne s'avèrent pas suffisamment fiables, notamment à des fortes concentrations de sable (concentrations supérieures à 150 g/1 pour certains capteurs IR, à 400g/l pour d'autres), ainsi que les capteurs basés sur l'absorption des micro-ondes qui fonctionnent également mais qui sont chers, mal adaptés aux gros diamètres et basses températures, ainsi qu'au fortes concentrations de microsable.

Les tests effectués pour des gammes de concentration de sable (diamètre effectif 85 micro-mètres, et plus généralement diamètre moyen compris entre 60 micromètres et 300 micromètres) conformes aux concentrations usuelles dans ce type d'ouvrage et comprises entre 0,001 et 600 grammes par litre, et pour des températures comprises entre 0 et 80 ⁰ C, ont mis en évidence les performances suivantes :

- avec les capteurs acoustiques et analyse de bruit : mise en place simple et rapide (moins de 15 minutes, y compris sur des tuyauteries de grand diamètre), et réponse rapide aux événements ; avec les capteurs à ultrasons : on obtient une bonne précision comparée aux mesures directes (2%), une excellente fiabilité, la possibilité d'installation sur des tuyauterie de grand diamètre (300mm et plus), une grande facilité d'entretien, ceci à un prix raisonnable et avec perte de charge induite minimale ; avec les capteurs à effet Coriolis : on obtient une excellente précision comparée aux mesures directes (0.15%), et une excellente fiabilité ; une grande facilité d'entretien, prix important, perte de charge -induite par la taille de tuyauterie limitée- restant acceptable. Ce type de capteurs contrairement à tous les autres, mesure non seulement une concentration en microsable (lest) mais aussi son flux (massique). Ceci présente un énorme avantage sur les autres types de capteurs (ultrasons, acoustique, etc..) car il n'y a pas besoin de rajouter une mesure de débit sur la boucle de recirculation, ou bien rentrer (programmer) une valeur (design) du

débit dans l'automate de pilotage pour obtenir le flux massique.

Dans une variante préférée, la mesure d'un paramètre corrélé à la concentration en lest est réalisée par absorption d'ultrasons. Cette mesure est calibrée par échantillonnage pour être corrélée avec la concentration en lest en circulation dans la tuyauterie. Des valeurs seuils de concentration sont définies par les opérateurs. Les données du capteur 11, 1 Ibis sont transférées à des moyens de traitement 100 en vue d'afficher la concentration calculée en lest et de comparer les données du capteur avec les valeurs seuils de telle sorte que le dépassement de ces seuils dans l'un ou l'autre sens entraîne le fonctionnement de l'une quelconque, ou de toute combinaison, des actions suivantes : déclenchement d'une alarme de niveau haut ou de niveau bas de concentration, ; arrêt de l'unité de floculation décantation à floc lesté ; démarrage/arrêt, ou changement de vitesse de rotation de la pompe de refoulement 10, lObis ; augmentation diminution de vitesse de rotation du racleur 12 éventuellement présent en fond de cuve de décantation 5 ; évaluation de la perte instantanée en lest à partir de la valeur de la pente de la courbe de concentration en lest en fonction du temps - injection 14 à partir d'un stockage 13 d'une quantité donnée de lest, destinée à compenser les pertes en lest constatées par la mesure.

La figure 2 correspond au second mode de réalisation, avec un capteur 11 directement immergé dans ou en sortie de la zone de floculation, en amont de la zone de décantation.

Lors de la réalisation des essais, la sonde utilisée était une sonde Infra- Rouge Solitax sc-tsline (marque déposée), commercialisée par Hach-Lange, et permettant de mesurer la concentration des matières solides en suspension dans la gamme de concentration 0.001 à 50g/l, c'est à dire bien adaptée aux concentrations usuelles dans la zone de floculation (0.5 à 15 g/1 de sable), plus

faibles que dans le circuit de recirculation du lest.

La sonde était installée juste après le mur déversoir en sortie du bac de floculation, à 40 cm de profondeur, approximativement au milieu du déversoir dans le sens horizontal.

Pendant la période d'essais, les écarts de mesure entre la sonde et les moyens de mesure manuels testés ont été compris entre 0.4 et 5.8%.