Procédés de flottation rapide pour le traitement des eaux

Culturellement, Degrémont est très attaché au
partage de la passion de ses collaborateurs
pour les métiers de l’eau.
En complément du Mémento Technique
de l’eau, Degrémont propose “Les Feuillets
Mémento” pour mieux connaître les différentes
techniques disponibles et pour découvrir les nouveautés et
les grandes évolutions technologiques.
Les Feuillets Mémento Technique
de l’Eau Degrémont
Eaux résiduaires urbaines
Dessalement
Eau potable
AquadafTM - SeadafTM - GreendafTM
Clarification eaux de surface
Clarification eaux de mer
F L O T T A T I O N
LA FLOTTATION
La flottation est un procédé de séparation solide-liquide ou
liquide-liquide qui, par opposition à la décantation, s’applique
à des agrégats dont la masse volumique est inférieure à celle
du liquide qui les contient. Ces agrégats sont recueillis, in fine,
sous forme d’écumes (boues flottées) à la surface supérieure
de l’appareil.
La flottation est dite naturelle si la différence de masse
volumique entre les agrégats et l’eau est naturellement suffisante
pour une séparation.
La flottation est dite assistée si elle met en œuvre des moyens
extérieurs (de l’air, ou de l’air et des réactifs) pour améliorer la
séparation de particules naturellement flottables (mais avec une
vitesse de séparation insuffisante).
La flottation est dite provoquée lorsque la masse volumique
de la particule, à l’origine supérieure à celle du liquide, est
artificiellement réduite pour provoquer sa flottation. Elle tire parti
de l’aptitude qu’ont certaines particules solides (ou liquides) à
s’unir à des bulles de gaz (de l’air en général) pour former
des « attelages » moins denses que le liquide dont elles
constituent la phase dispersée. Le phénomène mis en œuvre
est donc de nature triphasique (gaz-liquide-solide) ; il dépend
des caractéristiques physico-chimiques des trois phases, en
particulier de l’affinité de leurs interfaces (plus ou moins grande
hydrophobie).
Déphosphatation tertiaire
R A P I D E
• l’augmentation de la concentration en bulles augmente la
probabilité de rencontre entre particules solides et bulles.
Par ailleurs, la faible vitesse ascensionnelle des microbulles par
rapport à la masse de fluide permet leur bonne adhérence sur
les particules fragiles que sont les flocs ;
• enfin, l’accrochage est plus facile si leur diamètre est bien
inférieur à celui du floc en suspension.
Pour la séparation des particules volumineuses, plus légères
que l’eau et hydrophobes, qui flottent naturellement et dont il
faut seulement améliorer la flottation et maintenir le « gâteau »
en surface, des tailles de bulles supérieures sont utilisables
(des bulles fines, voire moyennes, suffisent). C’est le cas de la
séparation de graisses.
FLOTTATEUR À
CONVENTIONNEL
AIR
DISSOUS
(FAD)
Ce type de flottateur est particulièrement bien adapté au
traitement d’eaux peu chargées, conduisant à un floc léger et
fragile. La vitesse de séparation est de 8 à 10 m·h–1.
FLOTTATION PROVOQUÉE PAR MICROBULLES
La terminologie usuelle qualifie de moyennes les bulles de 2 à
4 mm, de fines les bulles de quelques centaines de µm à 1 mm
et enfin de microbulles celles de 40 à 70 µm.
Dans le domaine du traitement de l’eau, il est d’usage de réserver
le terme de flottation à la flottation provoquée en utilisant des
microbulles. Ce procédé est appelé Flottation à Air Dissous
(FAD, ou DAF-Dissolved Air Flotation).
C’est la flottation normalement utilisée en traitement des eaux
parce qu’elle est bien adaptée au traitement de flocs souvent
fragiles et de densité relativement faible généralement constitués
d’hydroxydes et/ou de produits organiques.
Pour la séparation des flocs, l’utilisation de microbulles est
nécessaire. En effet, il y a par exemple 8 000 fois plus d’air dans
une bulle de 1,2 mm que dans une microbulle de 60 µm, il en
résulte que :
• l’emploi de bulles de quelques millimètres de diamètre
conduirait, si l’on désire une bonne répartition des bulles sur
toute la section de l’appareil, à un débit d’air beaucoup plus
important que celui correspondant aux microbulles, et cette
grande quantité d’air engendrerait des courants turbulents très
perturbateurs ;
Le coagulant et l’eau brute à traiter sont introduits dans la zone de
coagulation pour neutraliser les charges des colloïdes présents
dans l’eau. Une fois leurs charges neutralisées, les colloïdes
s’agglomèrent entre eux par agitation pour former des “flocs”
dans la zone de floculation. Ces particules solides agglomérées
dans l’eau sont ensuite envoyées dans la zone de flottation
où des microbulles d’air sont diffusées. Les flocs s’attachent aux
bulles d’air et remontent à la surface où ils flottent, formant ainsi
un véritable lit de boue qui est évacué par raclage ou par surverse sans perturber la zone d’expansion dans des goulottes
dédiées. L’eau traitée est récupérée par sous-verse.
On notera que pour des eaux résiduaires, il n’est pas toujours
possible de flotter toutes les matières en suspension.
Inévitablement, une partie de celles-ci, trop lourdes, s’accumulent
à la longue sur le radier de l’appareil. Aussi les flottateurs traitant
des eaux résiduaires urbaines, industrielles ou des boues sont-ils
toujours équipés d’un système d’élimination des boues de fond
(radier fortement conique ou racleurs de fond).
FLOTTATEUR RECTANGULAIRE À GRANDE
VITESSE
L’origine de cette technologie vient de la nécessité d’augmenter
les vitesses de séparation au-delà de 8-10 m·h–1. La taille des
ouvrages s’en trouve d’ailleurs réduite.
Les principales évolutions concernent :
• la diffusion de l’eau pressurisée sur la totalité de la surface de
flottation. Un véritable « lit de bulles » de 1 à 2 m de haut peut
ainsi être créé ;
• l’utilisation de collecteurs disposés sur le fond, ou d’un
plancher perforé, avec pour objectif de collecter l’eau sur la
totalité de la surface et non à une extrémité.
• épaississement de boues biologiques en excès provenant du
traitement biologique d’eaux résiduaires (dont les boues de
lavage de filtres et biofiltres) ;
• séparation et récupération de fibres des eaux de papeterie, de
matières grasses et protéines en industrie agro-alimentaire ;
• séparation d’huiles sur des eaux résiduaires de raffinerie,
d’aéroports, de métallurgie ;
• séparation d’hydroxydes métalliques ou de pigments.
AquadafTM - SeadafTM - GreendafTM
Procédé RICTOR
Floculation mécanique
La modification de l’hydraulique des flottateurs conventionnels a
abouti aux améliorations suivantes :
• le lit de bulles devient un matelas à concentration décroissante
du haut vers le bas, où la floculation se poursuit. La séparation
solide/liquide peut s’y affiner grâce à une concentration de
bulles et de flocs plus élevée que dans un réacteur diffus
conventionnel, ce qui augmente les chances de rencontre
et d’accrochage. Par ailleurs, le lit de bulles crée de fortes
vitesses ascensionnelles des agrégats bulles-flocs. En effet
la vitesse des microbulles passe de 5 à 25-40 m·h–1 (selon les
caractéristiques du floc et la température de l’eau) grâce à la
coalescence et/ou agglomération ;
• la forme d’un flottateur à lit de bulles sera différente de celle
d’un flottateur conventionnel. La « longueur » qui sépare
l’entrée d’un appareil de la sortie, sera inférieure à la « largeur »
pour que le lit concerne la totalité du volume de l’appareil ;
• la durée de la floculation préalable pourra être restreinte à 1015 min (au lieu de 15-30 min) ;
• le déversement des boues par débordement est bien adapté
à la forme de la cellule (courte en longueur et assez large). Un
« couteau hydraulique » aide à décoller le gâteau des parois, et
limite la quantité d’eau déversée avec le gâteau.
DOMAINES D’UTILISATION DE LA FAD
Les applications de la FAD dans le domaine du traitement des
eaux sont multiples :
• séparation de matières floculées en clarification d’eau de
surface (pour les eaux peu chargées en matières en suspension
- MES - mais riches en matières organiques - MO), algues et/
ou fortement colorées, typiques des eaux de nombreux lacs
ou barrages) ou d’eau de mer en prétraitement de l’osmose
inverse ;
• traitement tertiaire physico-chimique en traitement des eaux
résiduaires ;
• séparation des boues biologiques issues des procédés
biologiques à cultures fixées sur supports libres ;
Floculation hydraulique
LES FLOTTATEURS À GRANDE VITESSE DE
DEGRÉMONT
Basés sur la technologie développée par RICTOR, AquadafTM
- SeadafTM - GreendafTM, sont les solutions proposées par
Degrémont en flottation respectivement d’eau douce, d’eau de
mer ou d’eaux usées. La flottation dite « turbulente » a en effet
été développée par la société finlandaise Oy Rictor. Celle-ci a mis
au point un plancher de collecte perforé qui favorise la répartition
uniforme des microbulles sur toute la surface du bassin. À la clé,
un fonctionnement 3 à 5 fois plus rapide que celui des procédés
traditionnels. Degrémont dispose d’une licence exclusive pour
l’exploitation de ce procédé.
ÎÎ Évolution du procédé
Afin de répondre à différents besoins de ses expertises,
Degrémont a fait évoluer le procédé en améliorant notamment la
conception du floculateur (devenu plus compact), le dispositif
d’injection d’air ainsi que les produits utilisés pour traiter les
eaux très difficiles.
Les flotatteurs rapides de Degrémont comportent les éléments
suivants :
• l’intégration de la coagulation et de la floculation, avec une
zone d’agitation hydraulique de type piston pour optimiser
l’agglomération des colloïdes en flocs ;
• une ligne de pressurisation par unité ;
• des buses de détente de l’air pressurisé brevetées ;
• un réservoir de flottation doté d’un plancher perforé breveté
qui favorise la coalescence et l’agglomération des bulles et du
floc ;
• un dispositif hydraulique de récupération des boues à l’aide
d’un déversoir mobile.
Les flottateurs rapides de Degrémont sont standardisés avec 2
types de floculation : mécanique et hydraulique.
Les Feuillets Mémento Technique de l’Eau Degrémont
1ère adaptation Degrémont
Floculation mécanique
Temps de coagulation floculation
= 2 + 10 min
(1 cuve de coagulation suivie de 2
cellules de floculation à hélices)
2ème adaptation Degrémont
Floculation hydraulique
Temps de coagulation floculation
= 3 + 5 min
(2 cuves de coagulation suivies
d’une cellule de floculation
équipée de déflecteurs à flux
piston)
(Rictor : Temps de coagulation floculation = 2 + 12 min)
ÎÎ La gamme
Le SeadafTM (flottateur à floculation hydraulique) est adapté à
la clarification des eaux de mer ou des eaux saumâtres
chargées en matières organiques et/ou en algues de façon
saisonnière ou permanente. Il s’intègre dans une filière de
dessalement par osmose inverse en amont d’un étage de filtres
SeacleanTM ou d’ultrafiltration.
Sur les grosses installations, les puits côtiers sont remplacés
par des prises d’eau en mer. Ces eaux peuvent être chargées
en algues et matières organiques : plus l’eau est chaude, cas
des eaux du Golfe par exemple, plus ces teneurs peuvent être
élevées. Il y a alors nécessité d’avoir une étape de filtration
conventionnelle ou membranaire en amont de l’osmose inverse.
Le SeadafTM permet d’optimiser le fonctionnement de cette
étape de filtration et de réduire les pertes en eau associées
en diminuant la fréquence de lavage des filtres dans le cas
d’une filtration conventionnelle, et en améliorant les flux des
membranes dans le cas d’une filtration membranaire.
GreendafTM TW, MW et BWW
PRÉTRAITEMENT
DÉCANTATION
PRIMAIRE
SEPARATION
TRAITEMENT TERTIAIRE
DÉCANTATION
SECONDAIRE
DÉPHOSPHATATION
REJET DANS
LE MILIEU NATUREL
TRAITEMENT BIOLOGIQUE
CULTURES
LIBRES
CULTURES
FIXÉES
CULTURES
MIXTES
ULTRAFILTRATION
AquadafTM
Dans le domaine du traitement pour la production d’eau potable,
l’AquadafTM est le produit dédié à la clarification des eaux
de surface ou de forages.
Sa spécificité réside dans sa flexibilité. Il traite les eaux de
surface même très froide (jusqu’à 0°C) et il s’accomode des
pointes occasionnelles de MES ou de turbidité jusqu’à 200 NTU.
Il s’adapte aux différents types d’eau grâce à ses 2 étages
de mélangeur rapide et à ses 4 points possibles d’injection de
réactifs.
La nouvelle conception de l’étape de floculation permet de
réduire le temps nécessaire à la réaction et de diminuer la
taille des ouvrages tout en conservant ses performances.
Les deux versions de floculateurs coexistent :
• AquadafTM MF (Mechanical Flocculation) ;
• AquadafTM HF (Hydraulic Flocculation).
SeadafTM
Greendaf™
Dans le domaine du traitement des eaux résiduaires urbaines, le
GreendafTM est un flottateur rapide décliné en 3 produits à
floculation hydraulique.
 Le GreendafTM TW (Tertiary Water) est destiné à la
déphosphatation des eaux épurées. Il permet d’obtenir des
rejets en phosphore en moyenne journalière de :
• 1 mg.L-1 pour une eau d’alimentation à 5 mg.L-1 en P total ;
• 0,3 mg.L-1 pour une eau à 1 mg.L-1 en P total.
Le GreendafTM TW peut être équipé d’un racleur qui a pour
fonction de concentrer les boues à 15 g.L-1 pouvant alimenter
directement une centrifugeuse.
C’est un produit intéressant dans le cadre d’installations
existantes pour la mise en conformité relative aux rejets en
phosphore.
 Le GreendafTM MW (Meteor Water) est dédié à la séparation
des boues biologiques issues des procédés biologiques à
cultures fixées sur supports libres de type MBBR (Moving
Bed Biofilm Bioreactor – comme par exemple le MeteorTM de
Degrémont).
Le GreendafTM MW permet d’obtenir des rejets pouvant soit
être traités en traitement tertiaire, soit être rejetés dans le milieu
naturel.
Le GreendafTM MW est muni d’un racleur de surface à chaine
permettant une évacuation rapide des boues flottées.
 Le GreendafTM BWW (Biofilter WashWater) permet d’alléger
ou de supprimer les retours en tête des eaux de lavage de
biofiltres qui ne peuvent pas être rejetées directement dans le
milieu naturel car elles contiennent des teneurs en MES élevées
(200 à 1 000 mg.L-1). En limitant soit la charge hydraulique,
soit la charge polluante, le GreendafTM BWW optimise la
filière de traîtement décanteur primaire-biofiltre. Il évite le
surdimensionnement de la ligne de traitement amont.
Le GreendafTM BWW se caractérise plus particulièrement par
la présence d’un mélangeur en ligne, l’absence de floculateur et
la présence d’un raclage de surface à chaînes. Le racleur permet
d’obtenir une concentration en boue de 15 à 30 g.L-1 comparable
à celle des boues épaissies.
Les Feuillets Mémento Technique de l’Eau Degrémont
EXPLOITATION
Tous ces flottateurs rapides présentent de nombreux intérêts en
exploitation par rapport à la flottation conventionnelle :
• entretien aisé car peu d’équipements mécaniques et pas de
modules lamellaires ;
• pas d’apport de matériau pour lester les flocs ;
• démarrages/arrêts instantanés (facilité d’exploitation et
optimisation de la sécurité des opérateurs) ;
• pas de risques majeurs liés à un manque de polymère
(AquadafTM ) ;
• l’usage de polymères devient occasionnel (uniquement si
pointe de MES) (AquadafTM - SeadafTM) ;
• supporte les fortes pointes occasionnelles de turbidité, jusqu’à
200 NTU (AquadafTM) ;
• supporte des vitesses de circulation élevées, permettant
de traiter des volumes d’eau importants (intéressant tout
particulièrement pour l’alimentation de l’osmose inverse en
dessalement) (SeadafTM) ;
• très peu d’équipements électromécaniques sont en contact
avec l’eau de mer grâce au réacteur floculateur piston
(SeadafTM) ;
• ballon de pressurisation revêtu éprouvé pour sa compatibilité
avec l’eau de mer (SeadafTM).
ÎÎ Développement durable
La flottation rapide présente un intérêt important sur les aspects
économique et développement durable par rapport à la flottation
conventionnelle :
• l’empreinte au sol est réduite et la hauteur des ouvrages est
limitée grâce à la compacité des produits (70% de gain d’espace
par rapport à une installation de flottation classique) ;
• la consommation électrique est faible du fait du peu
d’équipements électromécaniques ;
• la consommation de réactifs est réduite ;
• il y a très peu de perte en eau liée au lavage, la ressource en
eau est mieux préservée.
QUELQUES RÉFÉRENCES Degrémont
(42 références de flottateurs rapides implantés dans le monde)
AquadafTM
• Macao MSR, Chine (mai 2008) – 60 000 m3.j-1 - 2 AquadafTM = 2x1 340 m3.h-1.
Prétraitement avant membranes d’une eau avec pointes de turbidité et présences d’algues, polymère proscrit.
• Apremont, France (août 2009) – 40 000 m3.j-1 - 2 AquadafTM = 2x1 160 m3.h-1.
Eau brute < 240 NTU, moyenne de 30 NTU
Ligne de traitement = Flottation AquadafTM, réacteur CAP/PulsazurTM, filtration Aquazur®, ultrafiltration UltrazurTM
GreendafTM TW
• Hudson, MA, USA (automne 2009) - 25 000 m3.j-1 - 2 GreendafTM TW = 2x725 m3.h-1.
Cahier des charges sur les rejets dans le milieu récepteur = < 0,1 mg.L-1 en Phosphore - Turbidité < 1 NTU
GreendafTM TW
• Évreux, France (mars 2012) – 164 000 équivalent habitants - 3 GreendafTM TW = 3x590 m3.h-1.
Cahier des charges sur les rejets dans le milieu récepteur = 1 mg.L-1 en Phosphore - 10 mg.L-1 MES max.
GreendafTM BWW
• Grenoble, France (fin 2013) - 240 000 m3.j-1 - 2 GreendafTM BWW = 2x350 m3.h-1.
Concentration minimum en boue flottée = 20 g.L-1
• Al Dur, Barhein (janvier 2012) – 218 000 m3.j-1 (eau osmosée)
Ligne de traitement = SeadafTM – filtres bicouches SeacleanTM – filtres à cartouches – 2 étages d’osmose inverse.
14 SeadafTM = 590 000 m3.j-1
• Barcelone, Espagne (juillet 2009) – 200 000 m3.j-1 (eau osmosée)
Ligne de traitement = SeadafTM – filtre Mediazur, filtres bicouches SeacleanTM – filtres à cartouches – 2 étages d’osmose inverse.
10 SeadafTM = 480 000 m3.j-1
Contact : [email protected]
DEGRÉMONT S.A.
WWW.DEGREMONT.COM
Feuillets Mémento Degrémont n°4 - Avril 2012 - Crédit photos : Degrémont
SeadafTM