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APPAREIL DE TRAITEMENT DES EAUX
La présente invention concerne un appareil de traite-
ment des eau~ par floculation et/ou par précipitation cristalline avec recir-
culation interne de la boue suivie dlunle décantation du type lamellaire . Cet
appareil s'applique en particulier au traitement des eaux chargées en sels
minéraux précipitables sous forme de boues cristallines par un réactif avec
lequel ils forment un composé faiblement soluble, réactif qui peut etre par
exemple la chaux, la soude, la baryte, etc ...
n est connu que la recirculation interne de la boue déjà
formée accélère fortement les processus de floculation et/ou de précipita-
tion cristalline, et dans l'état actuel de la technique, on trouve de nombreux
appareils généralement de forme circulaire, comportant deux zones, une
zone centrale o~ s'opare la réaction en présence de boues mises en circula-
tion, soit par des moyens mécaniques, soit par des moyens hydrauliques
appropriés, et une zone périphérique annulaire dite zone de décantation
dans laquelle s'opère la séparation de l'eau traitée et des boues en suspen-
sion provenant de la zone centrale . Ces appareils sont dits combinés puisque
la phase de réaction et celle de décantation ont lieu dans une mame enceinte .
n est connu également que la mise en place dans un
Z~) bassin de décantation de plaques parallèles, régulièrement espacées et
inclinées d~un angle dlenviron 60~ sur l~horizontale, permet, par la créa-
tion d'un processus dit de décantation lamellaire, d'atteindre une vitesse
ascensionnelle de l'eau de Z à 4 fois supérieure à celle possible pour une
m~me eau et un meme traitement dans un simple bassin de décantation non
équipé de plaques .
r~~
~L~7ti7Z2
La mise en place de plaques dans un appareil combi-
né du type classique afin d'en accroitre les performances au niveau de la
vitesse de décantation se heurte à trois difficultés majeures:
- il est très difficile de disposer économiquement à l'intérieur d'un cercle
un ensemble de plaques parallèles sans qu'une partie de la surface soit neutra-
lisée . Une fraction non négligeable de la surface possible de décantation n'est
plus alors disponible . Pour pallier cet inconvénient, on a pensé substituer
à la forme circulaire une forme carrée dans laquelle la première serait ins-
crite . Dans ce cas, les boues décantées se déposant sur le radier de l'ap..
1~) pareil doivent 8tre ramenées vers le centre par un dispositif de raclage entrai~
né à partir du centre de l'appareil et dont l'extrémité décrit donc un cercle .
Pour éviter des dépôts de boues dans lçs angles, dép8ts dont l'évacuation
serait impossible, la structure carrée supérieure receva~t les plaques doit
se raccorder à une structure inférieure circulaire Une telle solution conduit
évidemment à des complications de construction et n'élimine pas la seconde
difficulté exposée ci-après .
n est cormu que, lorsqu'une réaction conduisant à une précipitation cris-
talline s'opère dans un milieu suffisamment concentré en boues, la précipi-
tation se fait préférentiellement sur ces boues qui constituent en quelque sorte
Z~ des germes de cristallisation . On évite ainsi un entartrage des structures
internes de l'appareil de traitement . Dans un appareil à zone centrale de
réaction, la concentration en boue décroit normalement du centre vers la
périphérie . Si la réaction de précipitation nlest pas terminée à la sortie de
lleau de la chambre de réaction, elle se poursuit dans l'espace situé sous
les plaques et entre les plaques elles-memes, et si la concentration en boues
entre les plaques extremes n'est pas suffisante, on assiste à un entartrage
- progressif de leur surface, entartrage dont le nourrissement est rapide du
fait qu'il constitue un frein à l'écoulement descendant de la boue . Il en résulte
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une disparité dans llespacement entre plaques, préjudiciable aux perfor--
mances de l'appareil et, à la limite, llapparition de problèmes mécaniques
consécutifs à l'incapacité des plaques à supporter un poids de tartre trop
important .
- Dans un tel appareil, il est pratiquement impossible dlalimenter de fa,con
uniforme les espaces entre plaques à ]partir de la zone centrale de réaction
surtout slil doit fonctionner à des débits variables dans le temps, ce qui
réduit les performances de la zone de décantation .
L'appareil, objet de la présente invention est remarqua-
ble par le fait que, tout en étant du type combiné et possèdant une zone de
décantation du type lamellaire, il ne présente aucune de ces trois difficultés.
En outre, llefficacité de la décantation y est améliorée grace à une réparti-
tion hydraulique de l~eau sortant de la zone de réaction sur toute la surface
de la zone réservée à la décantation, de fa,con à assurer une alimentation
uniforme des espaces entre plaques .
Dans certains appareils connus, cette répartition est
assurée en créant une perte de charge hydraulique au passage de l~eau au
travers dlun plus ou moins grand nombre d'orifices alimentant la zone de
décanta~ion . Cette disposition ne permet cependant d'obtenir une bonne répar-
tition de l'eau qutau voisinage du débit nominal de l'appareil . En effet, la
vitesse dlentrée de l'eau dans la zone de décantation doit rester suffisamment
faible pour ne pas y créer des turbulences qui pourraient perturber le phéno-
mène de décantation . Ainsi, par exemple, il nlest guère possible de dépas-
ser une vitesse dlentrée de 1,4 m/s correspondant sensiblement à une perte
de charge de 10 cm de colonne d'eau au passage au travers des orifices de
distribution, valeur permettant une équirépartition convenable . Si, par
suite dlimpératifs dlexploitation ~ l'appareil doit fonctionner à la moitié de
son débit nominal, cette perte de charge qui varie comme le carré de la
-- 3
~ ~7~;'7ZZ
vitesse d'écoulement ne sera plus que de 2, 5 cm de colonne d'eau, valeur
nettement insuffisante pour conserver la distribution uniforme recherchée.
Les dispositions hydrauliques adoptées dans la concep-
tion de llappareil, objet de la présente invention, permettent de pallier
ce grave inconvénient en assurant pour une large variation du débit de l'eau
à traiter une bonne répartition hydraulique de l'eau à son entrée dans la
zone de décantation . Il est par aill~eurs remarquable, ainsi que la descrip-
tion et l'exposé du fonctionnement de cet apparéil le feront apparal~tre,
que ces dispositions assurent également, ou contribuent à assurer, le
transfert des boues déjà précipitées de la zone de décantation vers la zone
de réaction où elles vont accélérer le processus de floculation et/ou de
précipitation des sels minéraux de l'eau .
L'appareil de traitement des eaux, objet de la présen-
te invention, consiste en un appareil combiné comportant dans une meme
enceinte au moins deux zones, l'une de réaction telle que coagulation,
floculation, précipitation cristalline, l'autre de décantation lamellaire,
cet appareil étant caractérisé essentiellement en ce que les deux zones
étant en communication sur toute la largeur de l'appareil, la zone de réac-
tion dans laquelle sont introduits l'eau à traiter et les réactifs de traite-
ment comporte à sa partie inférieure une fosse de concentration des boues
recevant les boues en provenance de la zone de décantation et est munie
dans sa partie supérieure d'une cheminée centrale entourée de deux chambres
latérales communiquant avec elle, la cheminée centrale contenant un im-
pulseur hydraulique réalisant dans une zone de turbulence énergique, un
mélange complet eau-réactif-boues amené dans les deux chambres latérales
et en partie recyclé de ces chambres dans la cheminée centrale, en partie
- amené à la base de la zone de décantation sur toute la longueur de celle~ci,
s ~ 7Z2
les boues concent~ses se déposant dans la zone de décantation étant
ramenées vers l'orifice de communication des deux zones, cl'o~ une
partie de ces boues est amenée clans la zone de turbulence créée par
l'impulseur hydraulique, les boues en excas étant évacuées périodique-
ment de la fosse de concentration prévue dans la zone de réaction,
Suivant une caractéristique de l'inventiona le débit
de l'impulseur hydraulique, hélice ou turbine par exemple, est tel que
le débit du mélange eau-boues obtenu sortant de la cheminée centrale
soit très supérieur - de 3 à 4 fois - au débit d'eau à traiter entrant
dans l'appareil,
Suivant une autre caractéristique de l'invention,
les chambres latérales extérieures à la chemir oe centrale de la zone
de réaction contenant l'impulseur hydraulique, sont en communication
avec cette zone d'une part normalement à leur partie supérieure, et
d'autre part, à leur partie inférieure, par des lumières réglables
permettant le rec~rclage dlune partie du mélange eau-boues obtenues;
ces chambres latérales sont également en communication à leur partie
inférieure avec des canaux bordant la zone de décantation et débouchant
dans celle-ci par des orifices uniformément répartis sur toute la lon-
gueur desdits canaux et permettant llamenée dans la zone de décantation
d'un débit déterminé et homogène du mélange eau-boues . Ce débit est
réglé au moyen de déflecteurs disposés sur les orifices que comportent
les canaux dramenée du mélange eau-boues
Suivant une autre caractéri stique de ltinvention,
la partie in~érieure de la zone de décantation est constituée par un radier
dont la pente est légèrement inclinée vers la zone de réaction, de fa,con
à ce que le recyclage des boues concentrées qui se déposent, s'effectue
~076'72~
sans qu'il soit besoin d'utiliser, sauf dans le cas de boues trop lourdes
par exemple des boues de carbonate de calcium, un dispositif de raclage,
connu en soi, prévu à la partie inférieure de la zone de décantation .
L'appareil objet de l'invention comporte, en déEini-
tive des dispositions permettant:
- ltobtention d'une floculation et/ou d'une précipitation de sels, tels que
sels métalliques dans une zone dite de réaction où une forte concentration
en boues est maintenue ainsi qu'une agitation suffisante pour que l'eau
entrant se mélange bien avec les boues recyclées;
- l'obtention dSune decantation accélérée dans une zone de décantation dite
lamellaire où lleau filtre au travers d'un lit de boues en cours de décan-
tation;
- le maintien d'une distribution uniforme du débit d'eau sur toute la sur-
face de décantation pour une large variation du débit d'eau à traiter i
- le maintien d'une concentration en boues suffisante à la partie inférieure
de la zone de décantation;
- le retour des boues précipitées et concentrées de la zone de décantation
vers la zone de réaction .
La description qui va suivre, en référence aux des-
sins annexés, permettra de mieux comprendre l'invention . 1:1 est bien
précisé qu'il s'agit uniquement d'un exemple de réalisation, non limitatif.
Au cours de cette description, on se réfère aux des-
sins ci-joints sur lesquels:
La ;Fig. 1 est une vue en plan de l'appareil .
La ;Fig. 2, une coupe en élévation suivant II~II de
la figure 1 .
- 6 -
-' - iO767Z2
~ . .
Les figs. 3 et 4 sont des vues en coupe transversale
de l'appareil, respectivement su.ivant III-I~I et IV-IV de la
figure 1.
Les figures S et 6 representent schematiquement et à
echelle plus reduite respectivement un appareil comportant une
zone de reaction commune à deux zones de decantation et un
appareil à deux zones de reaction et à quatre zones de decan-
tation.
~ L'appareil suivant la figure 1 se presente sous la
forme d'une enceinte de section carree ou rectangulaire divisee
en deux zones generalement de volumes inegaux, une zone 1, dite
zone de reaction, et une zone 2 dite de decantation.
Comme on le voit sur la figure 2, la zone 1 est en
communication à sa partie inférieure avec la zone 2 par une
lumière 3 de largeur egale a celle de l'appareil. La partie
inferieure de cette zone de reaction est amenaqee en fosse de
concentration de boues 4 reliee à l'exterieur par une ou plusieurs
.tuyauteries 5. La tuyauterie d'amenee d'eau à traiter 6 dans
l'appareil traverse verticalement cette fosse 4, son debouche
se situant par exemple à la moitie de la profondeur de cette
fosse.
Dans la zone 2 de decantation, une serie de plaquès
20 regulierement espacees et inclinees, par exemple a environ
60~ par rapport à l'horizontale, est disposee au-dessus d'orifice
16 dont on verra 1Q role plus loin, formant ainsi une zone de
decantation lamellaire.
A la partie superieure de la zone de decantation 2 et
donc au-dessus des plaques 20, une serie de tuyauteries perfo-
rees 21, uniformement reparties dans un meme plan horizontal sur
toute la longueur de l'appareil, debouchent dans deux goulottes
laterales 22 et 23.
- 7 _
1~76'7~ -
Comme on le voit sur la fi~ure 3, un impulseur
hydraulique 7 du type helice ou turbine par exemple est disposé
a une hauteur convenable dans la zone de reaction 1 à l'inte-
rieur d'une cheminee 8 et delimite ainsi dans cette zone de
reaction une partie centrale formant zone de turbulence 9
encadree par deux chambres laterales 10 et 11 qui sont normale-
ment en communication à leur partie superieure avec la zone
centrale de turbulence. A leur partie inferieure, elles sont
egalement en communi- ~
-- 10767~
cation avec la 7one centrale par des lumières 12 dont l'ouverture libre
peut être réglée par des masques 13 . Ces deux chambres 10 et 11 sont en
communication à leur partie inférieure avec deux canaux 14 et 15 bordant
chacun la. zone de décantation 2
Comme représenté à la ;I?ig. 4 qui est une coupe de
l'appareil sur la zone de décantation suivant IV-IV de la figure 1, chaque
canal 14 et 15 est en communication à sa partie inférieure avec la zone de
décantation 2 par une série d'orifices 16 uniformément répartis sur toute
la longueur du canal et débouchant à la partie inférieure de ladite zone de
lû décantation . Chaque orifice est muni à sa partie supérieure dlun déflec-
teur 17. - ) '
L'espace 18 situë entre les orifices 16 et le radier de
l'appareil constitue une zone de concentration de boues qui peut ou non 8tre
équipée d'un dispositif de r~clage classique, par exemple du type à chafne
19 . Ce radier est généralement en légare pente vers la zone de réaction.
T e fonctionnement de llappareil est le suivant:
- l'eau à traiter est admise par la tuyauterie 6 dans la zone de réaction 1
Elle reçoit dans un ordre déterminé soit avant son entrée dans cette zone
ou à l'intérieur même de cette zone, en des points convenablement choisis
pour qu'un mélange efficace soit assuré, les produits chimiques nécessaires
à la réaction . Dans son mouvement ascendant dans la zone de réaction,
l~eau traverse une zone de turbulence 9 créée par l'impulseur 7 et est ainsi
intimement méLangée aux réactifs et à de la boue en provenance de la zone
de décantation 2 . En effet, le débit de l'impulseur 7 est bien supérieur à
celui de l'eau alimentant l'appareil, de telle sorte que le débit du mélange
d'eau et de boues sortant de la cheminée centrale 8 de la zone de réaction
peut être, par exemple, égal à quatre fois le débit d'eau à traiter . Ce
g ~
' ~7~;722
mélange sortant à la partie supérieure de la cheminée 8 pénètre dans
les deux chambres latérales 10 el: 11 et une fraction revient par les
lumières 12 dans la partie centrale 9, le recyclage interne ainsi créé
entra~ant une forte turbulence favorisant le mélange dleau, reactifs,
boues, et s~opposent à un passagle direct de lleau sortant de la tuyaute-
rie 6 dans la cheminée 8 .
Le réglage de llimportance de ce recyclage interne
se fait en obstruant plus ou moins les lumières 12 par les masques 13.
Une autre partie du mélange eau-boues correspon-
dant au débit dleau à traiter, augmentée d'une fraction du débit total
recyclé, est amenée par les canaux 14 et 15 percés~des orifices 16
à la base de la zone de décantation 2 .
L'impulseur 7 est de préférence entrahlé en rota-
tion par un dispositif motovariateur de vitesse . La valeur totale du
débit de recyclage peut ainsi etre réglée à la valeur convenable en agis-
sant sur la vitesse de rotation de l'impulseur tandis que le réglage de
la valeur des deux fractions de ce débit slopère en modifiant la position
des masques 13 .
~e mélange eau-boues pénètre dans la zone de
décantation 2sur toute sa longueur par les orifices 16, les déflecteurs
17 dont ils sont munis permettant sa distribution sur toute la largeur du
bas sin .
Dans cette zone, un débit d1eau égal au débit à
traiter s'écoule de bas en haut entre les plaques 20 pour être repris
à la partie supérieure du bassin uniformément sur toute sa surface par
les tuyauteries perforées 21 qui le déversent dans les goulottes latéra-
les 22 et Z3 . Suivant le principe connu de la décantation lamellaire,
~ 1~767%:Z:
une séparation de phase s'opère entre les plaques Z0, les boues suivant un
chemin descendant vers le fond du ba!2sin tandis que l'eau claire siéchappe
des plaques à leur partie supérieure ~
Les boues décantées sont ramenées par le débit de
recirculation dans la zone de réaction 1 où une partie est remise en suspen~
sion, sous lleffet de la turbulence créée par l'impulsion, de fa,con à main-
tenir leur concentration à une valeur favorable à l'accélération de la réac-
tion tandis que l'excès s'accumule et se concentre dans la fosse à boues 4
d'où elles sont périodiquement évacuées à l'extérieur par la tuyauterie 5
De la description de l'appareil et de l'exposé de son
fonctionnement, il ressort que son utilisation permet de diminuer largement
les volumes nécessaires au traitement d'une eau par floculation et/ou par
précipitation cristalline .
En effetJ dans le cas par exemple d'un traitement par
précipitation cristalline, le maintien d'une concentration élevée en boues,
de l'ordrede 10 à 20 g/litre, dans une zone de réaction turbulente con~ue
pour éviter tout court-circuit du débit d'eau à traiter permet de réduire à 2,
3 minutes son temps de séjour dans cette zone . En outre, l'alimentation de
la zone de décantation par une eau à forte concentration en boues sensiblement
égale à celle de la zone de réaction, permet d'éviter tout risque d'entartrage
même si la réaction de précipitation se trouvait ne pas être terminée dans
la zone de réaction, Ceci permet donc d'assurer une distribution uniforme
de lleau dans la zone de décantation par des orifices dont le débit unitaire
pour une même charge ne risque pas de se trouver modifié par suite de leur
entartrage . Pour la même raison et pour le m8me type de traitement, il
est possible d'assurer une décantation accélérée du type lamellaire, par
suite de lSabsence sur les plaques de dépôts de tartre préjudiciable à la
67;~:2
bonne marche de l'appareil . Dans ces conditions, la vitesse possible de
décantation se trouve être multipliée par 3 ou 4 par rapport à celle ad-
missible dans un appareil du type classique
Ainsi que déjà mentionné, les dispositions adoptées
dans l'appareil suivant l'invention pour l'alimentation de la zone de décan-
tation permettent d'assurer une borme répartition sur toute la surface de
décantation pour de larges variations du débit nominal de l'appareil . l~insi,
par exemple, ondéterminera llimpulseur 7 pour que le débit le traversant
soit égal à quatre fois le débit nominal de ltappareil et les masques 13
seront positionnés de telle sorte que le débit de recirculation interne soit
égal à celui dirigé vers la zone de décantation . Ce dernier débit sera
donc égal, l'appareil fonctionnant à son débit nominal à deux fois la va-
leur de ce débit . L'appareil étant alimenté à la moitié de son débit nomi-
nal, le débit transitant vers la zone de décantation sera encore égal à
une fois et demie la valeur de ce débit nominal . Ai~si, en reprenant l'exem-
ple précédent, si les orifices d'entrée dans la zone de décantation ont été
calculés pour créer au débit nominal une perte de charge de 10 cm de
colonne d'eau, cette perte de charge sera encore de 5, 6 cm lorsque llap-
pareil fonctionnera à mi-débit, c'est à dire plus du double (2, 5 cm) de
zo celle obtenue dans les memes conditions dans le cas d'un appareil classi-
que, et elle demeure dans ce cas suffisante pour assurer une bonne répar-
tition dans un appareil dont la zone de décantation peut atteindre 20 m de
longueur d'écoulement . En outre, la valeur de la vitesse de l'eau dans
les canaux de distribution ne sera pas, en fonctionnement à mi~débit,
divisée par deux comme dans un appareil classique, mais seulement ré-
dui~e de 33% ce qui limite les risques d'obstruction de ces canaux par
formation de depots de boues .
n est remarquable que l'appareil, objet de la présen-
te invention se prete plus facilement que les appareils connus à une cons-
1~6722
truction modulaire ce qui en facilite la construction et simplifie considé-
rablement les problèmes que peut poser une extension de débit .
Ainsi, par exemple, la figure 5 représente un appa-
reil comportant une zone de réaction commune à deux zones de décanta-
tion, Dans l'hypothèse au départ cl'un doublement ultérieur du débit, une
seule zone de décantation peut être construite en première étape; la réa~
lisation d'une seconde zone perme1;tra en seconde étape de satisfaire au
besoin d'un débit double de sa valeur initiale .
L'appareil à 2 zones de réaction et 4 zones de décan-
tation représenté à la figure 6 est capable d'un débit quadruple de celui
de la celtule élémentaire .
Exemple
On a réalisé des essais comparatifs de traitementde décarbonatation à la chaux d'une eau de surface dans un appareil sui-
vant l'invention et un appareil classique à recyclage de boues ~ L'eau à
traiter avait une teneur en bicarbonates de calcium et de magnésium de
~ 30~ fran,cais et contenait 50 mg/l de matières en suspension . Le débit
d'eau entrant dans chaque appareil était de 2, 600m3/heure,
Les dimensions des appareils étaient les suivantes:
A~areil suivant l'in- Appareil clas sique de
ve on de 38, 5 x 5 m dlamètre Z3, 5 m
Sur:~ace au sol192,5 m2 435 m2
Hauteur 5, 25 m 5 m
Volume total1. 000 m3 2. 150 m3
Volume de la zone
de réaction130 m3 130 m3
Sur~ace de la zone
de décantation170 m2 400 m2
~ : ~
- - 12 -
~7672~
Dans l'appareil suivant l'invention g la vitesse de
décantation était de 15,2 m/heure; dans l'appareil classique, elle se
mainter~it à 6m/heure .
L'eau traitée. obtenue à la sortie des deux appareils
avait le s meme s caractéri stique s, soit un TAC ( Titre Alcalimétrique
complet ) de 3 à 4~ et une teneur en matiares en suspension de 3 à 5 mg/l.
Du tableau ci~dessus, il résulte que, pour une meme
qualité d'eau traitée, la vitesse de décantation, dans un appareil suivant
l'invention, est plus du double de celle d1~n appareil classique, alors que,
pour un même volume de la zone de réaction et une surface de la zone de
décantation beaucoup plus considérable, un décanteur cla~sique occupe
une surface au sol et présente un volume total doubles de celle et de celui
corre spondants, d'un appareil suivant l 'invention .
On juge ainsi de l'intéret d'un appareil suivant l'in~
vention par les économies très importantes de génie civil, d'infrastruc-
ture etc .. qulil permet de r~aliser .
Par ailleurs, il est très important de noter que,
par rapport aux appareils connus, les dispositions adoptées dans le cadre
de lrinvention permettent de réaliser et d'achever, dans des conditions
optimales de rapidité, les réactions de cristallisation et/ou de floculation
auxquelles est soumise lleau à traiter .
En ce quiconcerne llintroduction des réactifs dans
llappareil si, dans le cas le plus général ils seront introduits, comme
dans llexemple traité, dans la zone de réaction, elle pourrait etre éga-
lement opérée, dans certains cas, dans une autre zone, ou une autre
partie de llappareil .
~7~i722
Enfin, il est bien évident que l~invention n'est nullement
limitée à l'e}~emple traité, notamment en ce qui concerne la technique
de la décantation: celle-ci peut ~tre de toute nature ou suivant toute mé-
thode quelconque convenable: à lit de boues, pulsé ou non, à contact
de boues, lamellaire ou non, e-tc ...
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