Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02470270 2004-06-10
MÉTHODE ET INSTALLATION POUR LE TRAITEMENT
DES LIQUIDES CONTAMINÉS
S
DESCRIPTION
Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte à une méthode et à une installation
pour la purification des liquides contaminés et, plus précisément, à une
méthode et à
une installation pour le traitement des eaux usées en général et des eaux
résiduelles
d'origine domestique, industrielle, agroalimentaire et agricole en
particulier.
L'invention peut être utilisée pour l'épuration de liquides pollués par des
matières
organiques et inorganiques dissoutes ou en suspension, mais elle s'applique
tout
particulièrement pour l'élimination du phosphore (P) et des métaux lourds, de
l'azote
(TKN), pour la réduction de la demande chimique en oxygène (DCO et DBOS) et
pour la destruction des microorganismes contenus dans les effluents à traiter.
Description de l'art antérieur
La purification des liquides contaminés peut être réalisée par une
multitude de méthodes physiques, chimiques, biologiques et électrochimiques.
La coagulation chimique (CC) est l'une des méthodes de traitement
des liquides contaminés les plus répandues. Elle assure un abaissement de la
teneur
en composés organiques, en P dissout et en particules en suspension. La
coagulation
chimique s'accomplit en général par (ajout de coagulants chimiques et par un
apport
d'énergie nécessaire (agitation mécanique). Les coagulants chimiques utilisés
sont
notamment les sulfates d'aluminium et de fer III: Alz(S04)3 et Fe2(S04)3, les
chlorures d'aluminium et de fer III : AlCl3 et FeCl3, les mélanges de sulfates
et de
chaux : M2(S04)3 + Ca(OH)Z et les produits mixtes Al3+/Fe3+.
Les inconvénients majeurs des méthodes de CC sont : le transport et le
stockage de grandes quantitës de produits chimiques, la gestion des volumes de
boue
importants, générés pendant le traitement, la difficulté d'adapter la
concentration des
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coagulants aux variations aléatoires de la charge polluante, la variation
considérable
du pH, la mauvaise homogénéisation des mélanges et la salinité résiduelle des
solutions traitées.
Les coagulants organiques de synthèse peuvent remplacer totalement
ou partiellement les coagulants minëraux. Ils présentent (avantage de réduire
le
volume de boue produite mais, dans plusieurs cas, ils sont moins efficaces.
L'utilisation conjointe de deux ou de plusieurs types de coagulant
permet une certaine diminution de la quantité de coagulant minéral nécessaire
tout en
assurant un moindre volume de boue produite. Les brevets US 4,450,092 (Huang-
1984) et 4,582,627 (Carlsson-1986) proposent l'utilisation d'une combinaison
de
composés chimiques inorganiques solubles (chlorure ferrique, chlorure
d'aluminium,
sulfate d'aluminium) avec des polymères ou un mélange de polymères.
Certains traitements chimiques exploitent la synergie due à
l'utilisation combinée de sels ferriques et de polymères cationiques, méthode
qui
1 S offre des performances épuratoires supérieures que l'utilisation des deux
composés
individuellement dans des traitements de coagulation chimique (brevets US
5,035,808, Hassick-1991 et 5,171,453, Communal.-1992).
Malgré ces améliorations, la quantité de coagulant nécessaire est
importante ainsi que le volume des boues générées pendant le traitement par
coagulation chimique, l'efficacité épuratoire est satisfaisante seulement pour
un
nombre limité d'applications et pour des conditions d'exploitation bien
précises.
Pour remédier à une partie des ces désavantages, des méthodes qui
réduisent considérablement la consommation des substances chimiques ou qui
n'exigent pas du tout leur utilisation ont été développées : la flottation,
félectroflottation, l'électrocoagulation.
La flottation est utilisée comme traitement de purification des liquides
contaminés et elle est réalisée soit par la flottation par air dissout (FAD),
dans le cas
où on injecte de l'air en fines bulles dans l'effluent, soit par
l'électroflottation (EF),
en générant de fines bulles d'hydrogène et oxygène par l'électrolyse avec
électrodes
insolubles. Dans les deux cas, les bulles de gaz provoquent l'agglomération
des
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polluants et leur séparation par flottation. Ces traitements ont une
efficacité
épuratoire limitée, une consommation d'énergie importante et doivent
généralement
être combinés à une floculation chimique. Dans le cas de d'électroflottation
(EF), les
anodes sont très sensibles à la corrosion et les cathodes à (entartrage par
décarbonatation.
L'électrocoagulation (EC) est un procédé d'électrolyse à électrodes
solubles qui met en solution un cation métallique (Fe3+, A13+ ou autres)
provoquant la
coagulation des colloïdes. Obtenu sans agitation mécanique et sans apport de
produits
extérieurs, le floc est plus compact et plus stable que dans le cas du
traitement par
CC. L'électrocoagulation donne, sous certaines conditions, de bons résultats
pour les
effluents chargés essentiellement de matières colloïdales ou de matières en
suspension et permet aussi de tuer les bactéries et les virus.
Des applications de purification par électrocoagulation ont été
développées pour les traitements des eaux usées dans l'industrie des pâtes et
papiers,
1 S l'industrie minière et l'industrie de transformation des métaux, pour la
purification
des eaux usées provenant de l'industrie alimentaire, des eaux contenant des
huiles,
des colorants, des matières organiques, des particules en suspension, pour la
décontamination des effluents qui contiennent des détergents synthétiques et
des
métaux lourds.
Pour réaliser le traitement d'électrocoagulation (EC) plusieurs
solutions d'installations et d'appareils ont été proposées: des réacteurs
électrochimiques qui utilisent des électrodes en forme de plaques
rectangulaires
parallèles, en acier ou en aluminium (Okert-1975, Herbst-1991, Powell-1999,
Markovsky-2001) ou des plaques perforées avec l'anode en acier (Harms, 1976)
ou
des plaques tubulaires (Herbst-1989), des cellules électrochimiques avec des
cathodes
en acier inoxydable et anodes en aluminium (Sundel-1993).
Le brevet français FR 2 707 282 (Cognot-1993) présente une solution
amëliorée pour une cellule d'électrocoagulation avec des électrodes en forme
de
feuilles de tôle d'acier groupées en bloc compact par des moyens de cerclage
isolant.
Un système de séparateurs en forme de barres verticales fabriquées en matériel
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isolant assure l'espacement entre les électrodes et un système de connecteurs
en
cuivre isolés par rapport au liquide à traiter distribue le courant dans les
électrodes
connectés. La cellule est installée dans un carter de forme tubulaire. Ces
solutions
présentent le désavantage que les systèmes de séparateurs et de connecteurs se
positionnent difficilement par rapport à la cellule, le montage en bloc des
éléments de
la cellule limite la réalisation des cellules de dimensions industrielles à
cause de la
difficulté de manipuler ce type de cellules pour le montage, la réparation et
le
remplacement des électrodes. Le système de serrage pour l'assemblage de la
cellule,
tel que proposé, est rudimentaire, difficile à contrôler et il ne peut pas
assurer
convenablement son rôle pour améliorer les contacts électriques entre les
connecteurs
et les électrodes.
Malgré le grand nombre et la diversité des solutions proposées depuis
les années 1900, les résultats de recherche font ressortir que le processus
d'électrocoagulation est mal connu, que la durée de vie des électrodes
limitée, qu'il y
a risque de colmatage des cellules électrolytiques et que 1a variation de la
conductivité et du PH du liquide à traiter limite les performances du
traitement.
L'ajout dans le liquide à traiter d'additifs, catalyseurs, floculants ou
coagulants, avant, pendant ou après les traitements électrochimiques est
souvent
utilisé pour augmenter la conductivité électrique de l'effluent, pour ajuster
le pH,
pour amplifier les phénomènes d'oxydation ou pour aider la floculation.
Dans la demande de brevet canadien CA 2 316 446 - 1999, Powell
propose une méthode et un appareil pour électrocoagulation (EC) et prévoit la
possibilité d'ajouter un additif pour favoriser la coagulation.
Dans le cas du traitement par l'électroflottation (EF), c'est l'ajout de
certains sels métalliques ou polymères qui améliore l'efficacité épuratoire.
Cette
amélioration est expliquée par l'interaction complexe entre l'additif ajouté,
les
particules colloïdales des polluants dans le liquide à traiter et les micro-
bulles
d'hydrogène et d'oxygène générées par électrolyse (Baer, brevet US 3,347,786,
Ramirez - brevets US 3,975,269, - 3969,203, - 3969,245 et 4,012,319, Huang,
brevet
US 6,126,838). Les inconvénients qui caractérisent les traitements
d'électroflottation
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en général ne sont éliminés que partiellement : l'efficacité ëpuratoire est
limitée, la
consommation d'énergie est importante et les méthodes peuvent s'appliquer
seulement pour l'enlèvement de certaines polluants.
Les brevets US 5,611,907 (Herbst-1997) et le brevet européen EP
0749 157 ( Lee-1997) exploitent l'effet de polarisation pour agglomérer les
particules
polluantes et lés séparer dans le cadre d'un traitement électrolytique avec
l'ajout
d'additifs avant et après le traitement.
Ichiki (brevet US 3,816,276 -1974) propose une méthode de
purification qui utilise un traitement d'électrocoagulation (EC), suivi de
l'ajout d'un
polymère anionique et finalement l'effluent à traiter est soumis à un
traitement
d'électroflottation (EF).
Brewser (brevet US 5,368,703-1994), Cole (brevet US 5,531,865-
1996) et Morkovsky (brevet US 6,294,061-2001), Cognot (brevet français FR 2
707
282-1993) utilisent des procédés de purification des eaux usées basé sur un
traitement
d'électrocoagulation (EC) suivi d'un traitement de coagulation chimique (CC).
Le brevet canadien CA 2 298 122 (Stephenson-2000) propose une
succession de traitements physiques, chimiques et électrochimiques pour la
purification de l'eau et des eaux usées, selon un schéma complexe qui inclut
un
grande nombre de dispositifs et d'équipements: décanteurs, filtres, cellule
électrochimique, cellule de flottation, filtre-presse, hydrocyclone,
mélangeurs,
doseurs de coagulant. Selon cette méthode, il serait avantageux de réaliser
une
injection d'air comprimé et d'un polymère anioüique dans le fluide à traiter
juste
avant d'appliquer le traitement d'électrocoagulation. La même technique est
appliquée avant le traitement de flottation qui suit.
Les brevets canadiens CA 2 409 573 (2002) et CA 2 447 333 (2002)
présentent un procédé de traitement des eaux phosphatées dans lequel la
précipitation
du P est provoquée par la diffusion des ions de Ca2+ pendant un traitement
d'électrocoagulation ou l'anode constitue une source d'ions de calcium. La
méthode
nécessite la fabrication d'une électrode spéciale et les coûts d'exploitation
sont
élevés.
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Malgré tous ces améliorations, la consommation d'énergie et des
substances chimiques reste importante et Ies coûts de fabrication et de
remplacement
des électrodes des cellules électrochimiques sont élevés. De plus, la
configuration
mécanique des cellules électrochimiques manque de souplesse pour adapter
facilement leur configuration aux changements chimiques de l'effluent,
notamment
ceux causés par l'addition de produits chimiques.
Les appareils pour réaliser ces traitements électrochimiques disposent
d'un nombre limité de possibilités de réglage pour les adapter aux conditions
industrielles. Ce manque de flexibilité est évident surtout au niveau des
cellules
électrochimiques actuelles. En effet, pour un appareil donné il est très
difficile ou
impossible de modifier le nombre des plaques-électrodes, la distance entre les
plaques, L'épaisseur des plaques, la configuration des connections électriques
(plaques bipolaires/plaques monopolaires). Les possibilités de réglage du
régime de
fonctionnement de l'appareil sont limitées: on peut changer les paramètres
électriques
d'alimentation de la cellule (courant, tension), le débit de liquide en
circulation et la
durée du traitement. Powell (brevet canadien CA 2 316 446 - 1999) ajoute la
possibilité de modifier la surface active des électrodes en Ie faisant changer
leur
position dans Ie réacteur, mais la solution est compliquée et difficile à
utiliser.
Les faibles performances au niveau du rendement électrique des
cellules électrochimiques sont dues en partie à une mauvaise répartition du
courant
dans Les plaques-électrodes. En effet, les contacts électriques entre Les
connecteurs
d'alimentation et les plaques-électrode sont réalisées ponctuellement et
provoquent
une augmentation locale de la densité de courant. Les fuites de courant sont
fréquentes et Ia corrosion de l'électrode dans la zone de contact est
amplifiée.
La circulation du liquide à traiter dans les cellules électrolytiques
actuelles est inappropriée car l'écoulement est vertical ascendant ou
horizontal entre
des plaques parallèles ou à travers des espaces étroits (découpages, orifices)
ou il
subit de fréquents changements de direction, ce qui favorise le colmatage des
cellules
dans les zones mortes par Les solides qui sont en train de coaguler et se
décanter
pendant Ie traitement. Cet effet est amplifié par la tendance des contaminants
à
former assez rapidement des dépôts sur les plaques-électrode. Ces dépôts
déterminent
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aussi une réduction des performances énergétiques du traitement et imposent
des
nettoyages longs et fréquents des électrodes.
Ä cause de la complexité constructive des réacteurs électrochimiques,
leur fabrication et leur maintenance sont coûteuses, surtout à l'échelle
industrielle. La
majorité des réalisations actuelles sont des appareils de petites dimensions
avec des
capacités de traitement réduites.
La présente invention permet de remédier à ces inconvénients, tant sur
les aspect chimiques et électriques par des optimisation réduisant les coûts
énergétiques et les consommables, que sur les aspects mécaniques par des
optimisation réduisant d'entretien et améliorant la flexibilité. De plus, la
méthode et
l'installation proposées disposent de plusieurs autres avantages qui seront
discutés en
détail dans la description détaillée de l'invention.
SOl~~I~IAIRE DE L'INVENTION
L'un des objectifs de l'invention est de fournir une méthode pour la
purification des liquides contaminés et, plus précisément, une méthode pour le
traitement des eaux usées en général et des eaux résiduelles d'origine
domestique,
industrielle et agricole en particulier, tout en évitant les inconvénients des
autres
méthodes mentionnées ci-dessus.
Un autre objet de l'invention est une méthode pour réaliser
simultanément l'élimination efficace des polluants comme P les métaux lourds,
la
réduction de la demande chimique en oxygène (DCO et DBOS), de l'azote total
Kjeldahl (TKN) et des matières en suspension (MES) et la destruction des
microorganismes contenus dans les effluents à traiter.
La présente invention a pour objet une méthode d'épuration
des liquides contaminés qui combine le traitement de floculation chimique
réalisé par
l'addition d'un ou de plusieurs coagulants spécifiques, notamment des sels
ferriques,
des sels d'aluminium ou autres sels avec le traitement électrochimique par
électrocoagulation qui provoque la génération en situ d'ions à effet coagulant
par la
dissolution électrolytique des électrodes consommables et optionnellement avec
le
traitement électrochimique par électroflottation qui permet la séparation en
continu
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d'au moins une partie des contaminants floculés. De plus, ces techniques
combinées
sont simultanément mis en valeur dans une configuration mécanique innovante
qui
favorise les réactions recherchées. Plus précisément, l'invention met en
valeur un
effet synergique de ces techniques intégrées sur la consommation de produits
chimiques et d'énergie. En effet, selon la nouvelle méthode de purification,
l'intégration des deux ou trois de ces étapes de traitement consomme moins de
substances chimiques et d'énergie que si elles étaient réalisées
individuellement, pour
donner la même performance épuratoire.
Un autre objet de l'invention est de réaliser une méthode et une
installation d'épuration des liquides qui réduisent le nombre de traitements
nécessaires pour atteindre l'efficacité épuratoire requise et ainsi réaliser
une
installation de traitement simple avec un nombre réduit d'appareils,
d'équipements et
d'accessoires, faciles à exploiter et à entretenir.
Un autre aspect principal de l'invention est de réaliser une installation
pour mettre en oeuvre Ia nouvelle méthode de purification des liquides
contaminés
basée sur l'effet synergique résulté de l'intégration du traitement de
floculation
chimique et du traitement électrochimique par électrocoagulation et
électroflottation,
tout en évitant les inconvénients des autres installations mentionnées ci-
dessus. Plus
précisément, l'installation pour le traitement des liquides contaminés selon
une
réalisation est conçue préférentiellement pour réaliser successivement
l'injection de
coagulants et le traitement électrochimique. L'installation est constitué d'au
minimum un dispositif pour le dosage et l'injection de coagulant dans
l'effluent à
traiter, un mélangeur statique et un réacteur électrochimique muni d'une ou
plusieurs
cellules électrochimiques dont au moins une cellule d'électrocoagulation.
Selon une autre réalisation préférentielle, l'installation comprend un
réservoir de traitement, optionnellement un système de filtration ou
d'ultrafiltration,
un dispositif pour le dosage et l'injection de coagulant dans l'effluent à
traiter, un
mélangeur statique et un réacteur électrochimique muni d'une ou plusieurs
cellules
électrochimiques dont au moins une cellule d'électrocoagulation. Selon cette
configuration préférentielle, il est possible de réaliser une succession de
traitements
de filtration, injections de coagulants, électrocoagulation, électroflottation
et
_g_
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séparation des solides par flottation et décantation, en recirculant
l'effluent à traiter à
partir du réservoir de traitement. Ce type de récirculation détermine une
diminution
considérable des dépôts sur les plaques des cellules électrochimiques, réduit
les
risque de colmatage de la cellule, prolonge la vie des électrodes, facilite la
maintenance et augmente l'efficacité épuratoire et le rendement énergétique de
l'installation. En effet le liquide qui provient du réservoir de traitement
est
optionnellement filtré et ensuite on procède à l'injection de coagulant,
premièrement
par un système de dosage et deuxièmement pendant le passage du liquide dans le
réacteur d'électrochimique. Suite aux phénomènes de floculation-coagulation-
flottation, les polluants du liquide ont la tendance de s'agglomérer et se
séparer.
L'installation est conçue pour permettre une première décantation des boues
pendant
le passage du liquide dans les cellules électrochimiques et une deuxième
décantation
dans la cuve de décantation du réacteur électrochimique. Un système de raclage
est
capable d'éliminer la mousse flottante formée pendant le traitement
électrochimique
des polluants. Mais l'effet de floculation-coagulation-flottation et la
séparation par
décantation de polluants a lieu surtout dans le réservoir de traitement de
façon plus
accélérée et avec une efficacité épuratoire et énergétique supérieure par
rapport aux
méthodes traditionnelles. Pendant l'avancement du traitement, Ie liquide
recirculé
dans L'installation qui provient de la zone de liquide clarifié du réservoir
de
traitement est de moins en moins chargé en polluants (le liquide est plus
"propre").
Ce type de recirculation permet ainsi de réduire la quantité des contaminants
qui
passent à travers les équipements de l'installation (système de filtration,
réacteur
électrochimique) pendant que, dans les systèmes traditionnels, qui utilisent
Ie
traitement en continu ou Ia recirculation partielle, toute la charge en
polluants
contenue par le liquide à purifier passe à travers l'installation.
Un autre objet de l'invention est de réaliser une cellule
électrochimique très flexible, capable de s'adapter à une large gamme
d'applications,
facile à installer, modifier et à entretenir. Plus précisément, Ia cellule est
munie
d'électrodes réalisées en forme de plaques métalliques rectangulaires,
parallèles,
disposées verticalement et espacées par des séparateurs amovibles. Au moins
deux
des plaques sont connectées à une source de courant continu (plaques
monopolaires).
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Des connecteurs amovibles avec une forme spéciale assurent le contact
électrique
amélioré et une distribution du courant électrique uniforme dans les plaques-
électrodes connectées. Les plaques-électrodes, les séparateurs et les
connecteurs sont
assemblés pour former une structure sandwich à l'aide d'une plaque de pression
et
des vis de serrage. Cette configuration facilite le montage et le démontage et
permet
de réaliser diverses configûrations de la cellule (en changeant le nombre de
plaques,
leur épaisseur, la configuration électrique, etc.).
Selon un autre objectif de l'invention, les électrodes, les connecteurs
et les séparateurs sont très facile à fabriquer et à assembler pour réaliser
une cellule
électrolytique.
Selon un autre aspect de l'invention, l'écoulement de l'effluent
contaminé dans le réacteur électrochimique se caractérise par une circulation
particulière du fluide dans le but de favoriser les réactions de coagulation
et de
décantation. Ainsi, l' effluent à traiter a un écoulement vertical descendent
dans la
première cellule électrolytique, dans le même sens que le mouvement des
particules
en train de coaguler et de décanter vers la base de la cellule, où la vitesse
du fluide est
diminuée. En assurant une vitesse suffisamment élevée du fluide entre les
plaques-
électrodes de la cellule il est possible de créer un effet de nettoyage et
ainsi de limiter
la formation des dépôts sur ces plaques. Cet effet est amplifié en effectuant
périodiquement un changement de polarité du courant électrique d'alimentation
des
plaques-électrodes, selon l'art connu dans la technique de
l'électrocoagulation. Un
espace est prévu à la base de la cellule pour abriter les solides séparés dans
cette
première étape de décantation. Cet espace favorise la décantation des
particules par
son volume de circulation supérieur par rapport à la section précédente du
réacteur.
Par la suite, dans le compartiment suivant qui abrite optionnellement une
deuxième
cellule électrolytique, l'écoulement devient vertical ascendant. Cet
écoulement est
dans le même sens que le mouvement des bulles gazeuses qui entraînent d'autres
particules contaminantes en flottation afin qu'elles soient immédiatement
séparées
sous forme de mousses. La zone de raclage des mousses est aussi une seconde
zone
de ralentissement du fluide qui favorise la décantation des particules n'ayant
pas été
récupérée par flottation avant d'évacuer l'effluent.
- 10-
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Un autre objet de l'invention est de réaliser une installation pour la
purification des liquides contaminés polyvalente, avec des capacités de
traitements
élevées, de préférence à partir de débits d'effluent de 20 m3 par jour et
plus, avec une
efficacité épuratoire qui peut atteindre plus de 95 % pour l'élimination du P,
des
matières en suspension (MES) et des métaux lourds, plus de 60 % pour
l'abaissement
de l'azote (TKN), de la demande chimique en oxygéne et la demande biologique
en
oxygène (DCO et DBOS) et plus de 99 % pour Ia destruction des microorganismes
contenus dans les effluents à traiter.
Un autre objet de l'invention est de réaliser une méthode et une
installation d'épuration des liquides pour être utilisées pour Ia réalisation
du
traitement de polissage après un traitement biologique ou après d'autres
traitements
de purification des fluides contaminés (traitements primaires avancés par
exemple).
Selon un autre aspect de l'invention le Liquide ainsi purifié peut être
réutilisé comme liquide de lavage, eau d'irngation ou pour toute autre
utilisation qui
peut assurer l'économie d'eau dans les applications domestiques, industrielles
ou
agricoles ou il peut être disposé dans le milieu naturel si l'épuration à été
accomplie
jusqu'au niveau des normes environnementales spécifiques.
Un autre objet de l'invention est d'utiliser les solides récupérés sous la
forme de boues décantées et de mousses après le traitement poux la préparation
d'engrais.
BR~VE DESCRIPTION DES DESSINS
Fig. 1 est un schéma de principe de l'installation pour mettre en
oeuvre la nouvelle méthode de purification des liquides contaminés basée sur
l'effet
synergique qui résulte de l'intégration du traitement de floculation chimique
et du
traitement d'électrocoagulation selon l'une des réalisations préférentielles
de
l'invention;
Fig. 2 est une coupe verticale d'une vue schématique de l'installation
pour la purification des Liquides contaminés selon l'une des réalisations
préférentielles de l'invention ;
-ll-
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Fig. 3 est une vue en perspective d'un détail de montage des cellules
électrolytiques à l'intérieur du réacteur électrochimique ;
Fig. 4 présente une vue en perspective d'un connecteur de la cellule
électrolytique, selon une réalisation préférentielle de l'invention; et
Fig. 5 présente une vue en perspective d'un séparateur de la cellule
électrolytique, selon une réalisation préférentielle de l'invention.
DESCRIPTION DE RÉALISATIONS PRÉFÉRENTIELLES
Les recherches concernant les mécanismes qui gouvernent les
phénomènes de l'électrocoagulation sont assez récentes. Il est considéré
présentement
qu'il s'agit d'un processus complexe avec une multitude de mécanismes qui
interagissent pour enlever les polluants du liquide à traiter (Holt-2002).
Obtenu sans
agitation mécanique et sans apport de produits extérieurs, le floc est plus
compact et
le volume des boues est beaucoup plus faible qu'avec un procédé de coagulation-
floculation chimique.
Si dans la coagulation chimique l'addition de coagulant est discrète,
avec un équilibre donné par l'évolution du pH, pour l'électrocoagulation,
l'addition
du coagulant est en fonction du courant appliqué et du temps.
De nombreux travaux scientifiques ont analysé le traitement de
coagulation chimique versus le traitement d'électrocoagulation (Holt 1999 et
2002,
Powell Water Systems inc.-2000, Hicham-2002, Jiang-2002). Les recherches ont
démontré les nombreux avantages d'électrocoagulation par rapport à la
coagulation
chimique. Une comparaison directe entre les deux traitements n'est pas
possible
parce que les bases d'opération sont différentes.
Nous avons découvert un effet synergique inattendu, notamment pour
l'élimination du P, en utilisant la combinaison du traitement de floculation
chimique
(l'addition dans l'effluent à traiter d'un ou de plusieurs coagulants
spécifiques : sels
fernques, sels d'aluminium ou autres) et le traitement d'électrocoagulation.
La
nouvelle méthode de purification des liquides contaminés est ainsi basée sur
l'intégration des deux étapes de traitement qui consomment moins de substances
-12-
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chimiques et d'énergie que si elles étaient réalisées individuellement, poux
donner la
même performance épuratoire.
Selon un aspect principal de l'invention, la méthode de purification
des liquides contaminés est basée sur un effet synergique de la consommation
de
produits chimiques et d'énergie réalisée par l'intégration d'un traitement de
floculation chimique et d'un traitement d'électrocoagulation. Pour mettre en
évidence
cet effet synergique, la procédure décrite dans cette invention a été validée
en trois 3
étapes
- des jars tests effectués sur des coagulants seuls,
- des tests électrochimiques seuls (sans ajout de coagulants chimiques),
- des tests électrochimiques combinés avec l'ajout des coagulants chimiques.
Les jars tests sont réalisés sur I.0 L d'échantillon de liquide à traiter.
Le coagulant chimique (dont la quantité est préalablement déterminée) est
ajouté
graduellement et le mélange est agité continuellement pendant 1 heure.
L'échantillon
est ensuite laissé décanté pendant une demi-heure. Le surnageant est séparé de
la
phase décantée et analysé pour les paramètres environnementaux (MES, DCO,
Coliformes totaux, P total).
Les tests électrochimiques sont réalisés en appliquant
- une densité de courant de 50 à 1000 A/m2, préférablement entre 100 et 300
A/m2,
- une quantité d'électricité de 10 à 500 A.h/m3, préférablement entre 20 et 50
A.h/m3.
Exemple -1
Les caractéristiques initiales du liquide à traiter est décrit dans le
tableau 1. Le pH du liquide est maintenu entre 3 et 14, préfërablement entre 6
et 8. Le
coagulant utilisé est le chlorure fernque (FeCl3-40 %). Le rapport massique du
fer
total sur le phosphore initial est maintenu autour de 3 kg de fer/kg de P dans
cet
exemple. Les résultats sont reportés sur le tableau 1.
-13-
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Tableau 1
Paramtre Unit InitiaFinal Efficacit
(%)
s 1 E.C. oagulanE.C E.C. CoagulaE.C
+ +
(seule)t oagulanseule)t Coagula
(seul) t (seul) t
pH - 8.2 8.56 7.41 7.79 +4.4 -9.6 -5.0
MES mg/L 250 60 60 30 76.0 76 88
DCO totalmg/L 510 I00 272 270 80.4 46.7 47.1
P total mg/L 34.0 4.8 14.7 3.3 85.9 56.8 90.3
ColiformesUFC/1 430009000 45000 8100 79.1 0 81.1
fcaux OOmL
Grâce au procédé décrit dans cette invention, les performances liées à
la déphosphatation et â l'épuration électrochimiques sont nettement
améliorées. En
effet, la conversion du phosphore total passe de 46,7 % pour le coagulant tout
seul et
80,4 % pour l'électrochimique toute seule à 90,3 % pour la combinaison
électrochimique et ajout du coagulant chimique. L'épuration subit également
l'effet
synergique, autant sur les matières en suspension (MES) que sur les coliformes
totaux.
Exemple -2
L'expérience décrite dans l'exemple 1 est renouvelée mais cette fois c'est
pour atteindre un taux de conversion du P total supérieur ou égal à 90 %. Le
rapport
massique Fe/P (kg de Fe/kg de P enlevé), la consommation énergétique et du
coagulant chimique sont déterminés pour montrer l'effet synergique du procédé
électrochimique avec l'ajout du coagulant chimique. Les résultats sont
reportés au
tableau 2.
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Tableau 2
Procds Fe/PConsommation Consommation
de
(g/g)nergtique Coagulant Cot
CE CC
kWh/m3 kWh/ kg- kg-Fe/kg-P ($CE
(kg-P Fe/m3 enlev +$CC)/
enlev) kg-P enlev
E.C. seule 4.0 6.0 142 - - 8.S
E.C. + 3.5 1.6 50.6 0.061 2.0 5.7
Coagulant
Coagulant 6.0 - - 0.204 6.6 8.9
seul
CE : 0.06$lkWh, CC = 0.185$lkg-(FeCl3-40%)
L'effet synergique de l'ajout d'un coagulant chimique sur le procédé
électrochimique est encore mis en évidence par le fait qu'un rapport
relativement
faible de Fe/P est nécessaire pour obtenir une conversion du phosphore
supérieure ou
égale à 90 %. Cela se traduit par un coût énergétique et une consommation de
coagulant chimique moindre.
L'invention est caractérisée par les étapes suivantes
- réaliser une injection de coagulant (sels ferriques, sels d'aluminium ou
autres) dans le liquide à traiter à l'aide d'un système de dosage et assurer
l'homogénéisation du liquide à travers un mélangeur statique ou par une
agitation mécanique,
- diriger le liquide à travers un réacteur d'électrochimique pour entamer les
phénomènes de floculation-coagulation et réaliser une séparation des
1 S solides agglomërés par décantation et par flottation,
En concordance avec la Fig. 1, le liquide à traiter est soumis à une
succession de traitements qui consistent en l'injection d'un coagulant (sels
fernques,
sels d'aluminium ou autres) réalisée par un dispositif de dosage 23 muni d'une
pompe 24. L'uniformisation du liquide est réalisée pendant le passage du
liquide dans
un mélangeur statique 25 d'où il est envoyé vers un réacteur électrochimique 1
. Cette
configuration permet le traitement en continu du liquide à purifier selon un
procédure
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très simple mais elle peut aussi s'intégrer facilement dans des schéma de
traitements
complexes qui nécessitent en préalable, par exemple, un traitement biologique,
une
filtration ou une ultrafiltration et/ou dans des schémas de traitement qui
nécessitent
par après des traitements de séparation, filtration, etc.
Selon un autre aspect principal de l'invention, la méthode de
purification des liquides contaminés est réalisée selon les étapes suivantes
- remplir le réservoir de traitement avec le liquide à traiter,
- acheminer le liquide à partir de ce réservoir vers un système de filtration
ou d'ultrafiltration et réaliser une première étape de purification
(optionnellement),
- réaliser une injection de coagulant (sels ferriques, sels d'aluminium ou
autres) dans le liquide à traiter à l'aide d'un système de dosage et assurer
l'homogénéisation du liquide à travers un mélangeur statique ou par une
agitation mécanique,
- diriger le liquide à travers un réacteur d'électrochimique pour entamer
les phénomènes de floculation-coagulation et réaliser une première
séparation des solides agglomérés par décantation et par flottation,
- retourner le liquide ainsi traité dans le réservoir de traitement où le
processus de floculation-coagulation s'accomplit sous l'effet des
coagulants ajoutés dans les étapes précédentes ; les solides agglomérés
se décantent rapidement et s'accumulent sous la forme de boues au fond
de ce réservoir,
- recirculer le liquide à traiter pour reprendre la succession des traitements
présentés plus haut jusqu'à ce qu'on atteint le degré de purification
désiré,
- éliminer les boues accumulées par décantation et la mousse formée par
flottation électrochimique dans le réacteur électrochimique et dans le
réservoir de traitement, en mode continu ou à la fin du traitement et
- vider le réservoir de traitement de liquide ainsi purifié.
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En concordance avec la Fig. 2, le liquide est recirculé à l'aide d'une
pompe 22 dans l'installation et soumis à une succession de traitements de
filtration,
injections de coagulant et d'électrocoagulation, de séparation par flottation
et par
décantation. La première étape selon la méthode de traitement proposée,
consiste à
remplir le réservoir de traitement 21 avec le liquide à traiter par le raccord
d'entrée
30, ensuite on applique une filtration à l'aide d'un système de filtration 28.
Un
raccord 29 relié à une pompe 19 sert pour l'évacuation des solides séparés par
filtration et/ou pour le lavage périodique du filtre. L'étape suivante
consiste dans
l'injection d'un coagulant (sels ferriques, sels d'aluminium ou autres)
réalisée par un
dispositif de dosage 23 muni d'une pompe 24. L'uniformisation du liquide est
réalisée pendant le passage du liquide dans un mélangeur statique 25. Le
réacteur
électrochimique 1 est réalisé sous la forme d'une cuve étanche en matière
plastique
ou, préférentiellement, en acier inoxydable plastifié à l'intérieur et. Le
réacteur
dispose de plusieurs compartiments: un compartiment 2 pour l'entrée du liquide
à
traiter, un compartiment 3 qui abrite une cellule d'électrocoagulation 8a, le
compartiment 4, qui peut abriter une deuxième cellule électrochimique 8b, une
cuve
de décantation primaire 6, une cuve de décantation S et une cuve d' évacuation
de la
mousse 7. L'effluent à traiter entre dans le réacteur électrochimique 1 par le
raccord
d'entrée 9 selon un écoulement vertical ascendant à travers le compartiment 2
et
ensuite entre par déversement dans le compartiment 3 selon un écoulement
vertical
descendant parmi les électrodes de la cellule d'électrocoagulation 8a. Cet
écoulement
favorise l'entraînement efficace d'une importante partie des particules qui
commencent à se séparer pendant le passage dans la cellule 8a, vers la cuve de
décantation 6. Une vitesse de déplacement du fluide suffisamment élevée
favorise
aussi un effet de nettoyage des électrodes et diminue la tendance de formation
des
dépôts chimiques. Cet effet est amplifié en effectuant périodiquement un
changement
de polarité du courant électrique d'alimentation de l'électrode, selon l'art
connu dans
la technique de l'électrocoagulation. Les solides accumulés dans la cuve 6
sont
éliminés périodiquement ou en continu par un raccord de sortie 20 et une pompe
19.
Ensuite le liquide à traiter traverse le compartiment 4 pour passer par
déversement
dans la cuve de décantation 5, où la séparation des contaminants continue par
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décantation ou par flottation. Un système de racleur 15 (mécanique,
pneumatique ou
outre) évacue la mousse formée vers une cuve 7 muni d'un tuyau de sortie 17.
Les
boues formées dans la cuve de décantation 5 sont éliminées périodiquement ou
en
continu par le raccord de sortie 18 et la pompe 19. L'effluent sort du
réacteur
électrochimique 1 par un tuyau déversoir 16 vers le réservoir de traitement
21. Un
couvercle 26 assure la protection sécuritaire de L'appareil. Un système de
ventilation
27 permet la dilution des gaz formés pendant l'électrolyse et leur évacuation.
Ce
système remplit aussi la fonction de déplacer la mousse formée dans le
compartiment
3 vers le compartiment 4 et ainsi vers la cuve 5 pour entrer dans la zone
d'action du
racleur 15. Entre le compartiment d'entrée 2 et le compartiment 3 se trouve
une
plaque 10 qui est fixe par rapport au réacteur électrochimique. Un système de
plaques verticales 11 et 12, mobiles par rapport au réacteur électrochimique
sert à
transmettre une pression de serrage nécessaire au montage des cellules
électrolytiques, pression crée à l'aide d'un système de serrage composé par
les vis 35
et le cadre 13 qui est, à son tour, solidaire avec la cuve du réacteur
électrochimique
1. Les plaques 10, 11 et 12 sont fabriquées avec un matériau isolant, de
préférence en
polypropylène. Suite à l'ajout de coagulant par injection directe et pendant
le
traitement dans le réacteur électrochimique le processus de floculation-
coagulation et
la séparation par décantation de polluants a lieu de façon accélérée surtout
dans le
réservoir de traitement 21. Les solides sous la forme de boues sont évacués à
la fin
du traitement par le raccord 33 et la pompe 34. Le réservoir 21 est muni d'une
zone
de clarification K qui permet, par la recirculation de l'effluent à traiter,
de
réintroduire dans l'installation un liquide de plus en plus décontaminé. Le
traitement
de liquide continue jusqu'au moment où le degré de purification désiré est
atteint.
Une fois la recirculation arrétée Ie Liquide purifié est évacué à l'aide de la
pompe 31
par le raccord 32.
En conformité avec la Fig.3, la cellule électrolytique 8a (ou 8b) est
munie de plusieurs électrodes 81 réalisées en forme de feuilles métalliques
rectangulaires, parallèles, disposées verticalement et espacées par des
séparateurs
amovibles 83 fabriqués en matériel isolant, de préférence en polypropylène. Au
moins deux plaques de chaque cellule sont connectées (plaques monopolaires) à
une
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source de courant continu (non-présentée). L'alimentation de chaque plaque
monopolaire est réalisée par un connecteur amovible 82, de préférence réalise
en
acier inoxydable. Les plaques-électrodes 81, les séparateurs 84 et les
connecteurs 83
sont assemblés de façon successive pour former une structure sandwich à l'aide
de la
plaque de pression mobile 12 et la plaque mobile 11, grâce à un système de
serrage
composé par les vis 35 et le cadre de serrage 13. Cette solution facilite le
montage et
le démontage rapide de la cellule pour nettoyage, les réparations ou le
remplacement
rapide des plaques et en plus assure une flexibilité accrue pour réaliser une
grande
diversité des configurations des cellules électrochimiques comme il est
expliqué plus
loin. La plaque 10 et la plaque 12 sont munies d'une série de canaux verticaux
réalisés par usinage pour permettre l'insertion des connecteurs 82 et éviter
ainsi la
formation d'un espace inutile entre la plaque-électrode située à l'extrémité
de la
cellule et les plaques 10 et respectivement 12. Les plaques-électrodes 81 sont
supportées par un cadre 14 fixé dans la cuve 6 du réacteur électrochimique; il
est
recouvert par un matériel isolant pour empêcher tout contact électrique entre
les
électrodes 81. Deux plaques latérales 84, fabriquées en matériau isolateur,
solidaires
avec la cuve du réacteur électrochimique supportent les séparateurs 82 et les
connecteurs 83. Pour réaliser le branchement des connecteurs 82 à la source de
courant (non-présenté) on utilise des pièces de connexion standardisées 85 qui
permettent d'attacher les câbles électriques selon la configuration désirée.
L'invention assure une flexibilité accrue au niveau de la configuration de la
cellule 8a
(8b), car il est possible de réaliser diverses configurations en changeant le
nombre de
plaques 81, l'épaisseur des plaques, la distance entre les plaques (en
utilisant
différentes épaisseurs pour les séparateurs 82). La configuration électrique
de la
cellule 8a (8b) peut étre facilement modifiée en variant le nombre de plaques
mono-
polaires (en utilisant plusieurs connecteurs 83).
En concordance avec une réalisation préférentielle de l'invention le
réacteur électrochimique 1 peut être configuré selon plusieurs variantes, en
fonction
des conditions de traitement à réaliser
- premièrement, il est possible d'installer une seule cellule
d'électrocoagulation 8a pendant que le compartiment 4 qui contient
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seulement un nombre de séparateurs 82 sert à diriger le liquide vers la
cuve de décantation 5,
- deuxièmement, il est possible d'installer deux cellules
d'électrocoagulation identiques 8a et 8b ou deux cellules
électrochimiques différentes, selon le nombre de plaques 81, la distance
entre les plaques, la nature des plaques (électrodes solubles ou
insolubles), selon la configuration électrique (nombre des plaques
bipolaires et monopolaires).
Par cette flexibilité au niveau de la configuration du réacteur
électrochimique la méthode de traitement selon l'invention s'avère être une
méthode
polyvalente permettant d'adapter le traitement aux divers types
d'applications. En
effet il est possible soit d'utiliser une seule cellule d'électrocoagulation
avec un grand
nombre d'électrodes, soit par exemple, deux cellules d'électrocoagulation mais
avec
des configurations différentes au niveau des électrodes, connections
électriques ou
paramètres de courant, soit une première cellule d'électrocoagulation et une
deuxième cellule d'électroflottation, etc. La variation des paramètres du
courant
d'alimentation des cellules électrochimiques reste aussi un autre moyen de
réglage
des régimes de fonctionnement du réacteur électrochimique. La source de
courant
assure ainsi la possibilité de régler l'ampérage, la tension appliquée et le
changement
périodique de polarité selon l'art connu dans la technologie des
électrochimiques.
En conformité avec Fig. 4 le connecteur 82 est réalisé à partir d'une
feuille de métal résistant à la corrosion, de préférence une tôle en acier
inoxydable
découpée au laser ou réalisée par soudage pour obtenir une pièce 821 qui
comporte
une barre horizontale Al et minimum 2 barres verticales C1 prévues pour
assurer un
contact électrique sur toute la longueur des plaques-électrodes 81 de la
cellule
électrochimique 8a (8b). Ä chaque extrémité de la barre horizontale A1 il y a
un
épaulement B 1 qui sert à positionner le connecteur 82 par rapport aux plaques
84
pendant l'assemblage de la cellule 8a (8b). Une languette D est prévue pour
assurer le
montage des pièces de connexions électriques 85. Les barres verticales C 1
sont
couvertes d'un matériau isolant 822 (par collage, plastification ou autre
méthode) sur
l'une des surfaces verticales, de préférence une barre en caoutchouc de type
nitrite.
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Le connecteur 82 est installé dans la cellule électrochimique 8a (8b) de telle
manière
que le contact électrique soit assuré avec une plaque-électrode 81 située du
coté non-
isolé des barres verticales C1, pendant que la plaque suivante est isolée par
rapport au
connecteur.
Le connecteur a pour rôle d'assurer un bon contact électrique tout au
long de chaque plaque connectée, sur les deux côtés latéraux et éventuellement
au
centre et déterminer ainsi une distribution uniforme du courant électrique. Le
connecteur joue aussi le rôle de séparateur entre les électrodes 81 et il
assure la
transmission de la force de pression créée par les vis 35 au montage de la
cellule.
En conformité avec Fig. 5 le séparateur 83 est réalisé dans un
matériau isolant, de préférence en polyéthylène et il a sensiblement la même
forme
que le connecteur 82 en comportant une barre horizontale H2 et minimum 2
barres
verticales C2. Ä chaque extrémité de la barre horizontale V2 il y a un
épaulement B2
qui sert à positionner le séparateur 83 par rapport aux plaques 84 pendant
l'assemblage de la cellule 8a (8b). Le séparateur 83 est installé dans la
cellule
électrochimique 8a (8b) dans le but de réaliser l'espacement requis entre les
électrodes 81 et d'assurer la transmission de la force de pression créée au
montage
par les vis 35.
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