“Floc on a rock” le traitement de l’eau de process avec la clarification lestée Actiflo®

Introduction

La difficulté, c’est qu’avec un procédé de traitement conventionnel ou lamellaire, produire deux fois plus d’eau de process implique une installation qui va occuper quasiment le double de surface au sol. La solution était donc ailleurs et c’est ainsi que Veolia a mis au point et lancé en 1989 Actiflo®. Ce procédé permet de produire de l’eau beaucoup plus vite qu’à l’aide des procédés conventionnels avec une qualité optimale constante et une emprise au sol extrêmement réduite puisqu’elle représente seulement 5 à 15 % de la surface au sol occupée par les installations conventionnelles.

Intérêt de la clarification lestée Actiflo®

Stabilité : l’une des principales caractéristiques de la clarification lestée par rapport à tout type de système de clarification c’est la présence massive et continue d’un élément chimique inerte servant d’amorce à la formation de flocs mais aussi de leste : le micro sable. Ce qui fait l’unicité de l’Actiflo® réside donc dans l’absence d’accumulation d’un « lit de boue » qui doit être maîtrisé et surtout stabilisé.

Adaptabilité à la charge entrante : Grâce à la présence continue de micro sable, la décantation lestée est capable de gérer des variations extrêmes de la charge entrante aussi bien en termes de matières en suspension, que colloïdes (Matière Organique) ou algues. L’inertie qu’offre le ballaste permet de gérer de manière instantanée ces variations. Les décanteurs classiques sont beaucoup plus difficiles à ajuster lors de ces phases nécessitant des interventions humaines non planifiées.

Caractéristiques du floc lesté

Après la coagulation, le floculant et le microsable ont été injectés selon la séquence décrite dans la figure 3, qui est dérivée du travail de Desjardins et al. (2001). Deux polymères alternatifs ont été testés : Deux polymères alternatifs ont été testés : SNF AN905 (un polyacrylamide à faible anion et à haut poids moléculaire) et Hydrex 3842 (un polymère biosourcé faiblement anionique et de poids moléculaire modéré). Après la floculation, les eaux ont été décantées pendant 3 minutes. Les échantillons d’eau décantée ont été collectés à 10 cm sous la surface du bécher. Les mesures de turbidité (turbidimètre Hach 2100N) ont été évaluées selon la méthode 2130B de Standard Methods (2005).

Les diamètres équivalents des flocs (DE) et des microsables ont été calculés à partir d’images obtenues par microscopie en considérant une forme ellipsoïdale. Pour chaque floc, la surface ellipsoïdale projetée a été calculée à l’aide de l’équation 1. Un diamètre équivalent (DE) a ensuite été calculé à l’aide de l’équation 2, ce qui permet de calculer la taille du floc ou du grain de microsable. Une procédure similaire a été proposée par Allen (1997) et Johnson, Li, et Logan (1996).

ou L : dimension la plus longue de l’ellipse

La vitesse théorique de décantation des flocs peut être calculée en utilisant la loi de Newton (telle que décrite par Johnson et al. (1996)) dans des conditions turbulentes ou la loi de Stokes dans des conditions laminaires (en supposant que le coefficient de traînée est inversement proportionnel au nombre de Reynolds, c’est-à-dire CD = 24/Re). Dans les deux cas, les équations nécessitent la connaissance de la densité, de la forme et du diamètre du floc, qui ont été obtenus comme décrit précédemment. Les vitesses de décantation des flocs non lestés ont été calculées sur la base de leurs tailles mesurées et d’une densité relative théorique de 1,05.

Identification des conditions optimales de floculation lestée

Puissance d’agitation : l’intensité du mélange pendant la floculation est déjà connue comme étant un paramètre important pour une agrégation réussie. Pour la floculation lestée, un G (Gradient de vitesse) minimal doit être induit pour maintenir l’agent de lestage en suspension. L’impact de l’augmentation du gradient de vitesse de floculation (G) sur les caractéristiques de taille des flocs lestés a été évalué par microscopie (figure 5). Les observations ont montré un impact négatif important de l’augmentation de G de 165 s^-1 (les conditions habituelles de floculation pour la floculation lestée) à 300 s^-1, car le diamètre moyen des flocs lestés a été réduit de 310 ± 8 µm à 200 µm ± 6 µm. Une diminution de la densité relative moyenne du floc de 1,53 ± 0,02 à 1,39 ± 0,03 (données non présentées) a également été observée lorsqu’un cisaillement élevé (300 s^-1) est induit pendant l’étape de floculation. Pour un agent lestant ayant une densité relative de 2,65, une plage de 160 à 200 s^-1 a été proposée comme optimale (Desjardins et al., 2001). De Dianous et Dernaucourt (1991) ont montré que des valeurs de G aussi élevées que 700 s^-1 peuvent être tolérées par une structure de floc formée de polymère polyacrylamide et de sable siliceux. Les valeurs de G inférieures à 165 s^-1 n’ont pas été proposées comme optimales car la suspension de microsable était incomplète sous ces faibles intensités de mélange. En d’autres termes, le mélange minimal est contrôlé par la densité de microsable.

Temps de floculation : le temps minimum nécessaire à l’agrégation complète est généralement proportionnel à la concentration des particules ainsi qu’à la longueur de la chaîne de polymère et à la densité de charge (Gregory & Barany, 2011). Cependant, les longues chaînes de polymères peuvent subir une reconfiguration après une floculation prolongée (Enarsson & Wågberg, 2008). Par conséquent, le temps de contact disponible pendant la floculation (après l’injection de microsable et de polymère) doit être suffisant pour permettre à la chaîne de polyélectrolyte de s’adsorber sur les particules, mais inférieur au temps critique qui permet la reconfiguration de la chaîne. Les observations microscopiques ont également fourni des informations relatives à la cinétique d’agrégation. Les distributions de taille des flocs ont été évaluées après 0,5, 1 et 4 minutes de floculation (Figure 6B). Les diamètres moyens des flocs après 0,5, 1 et 4 minutes de floculation étaient de 183 ± 6 µm, 290 ± 9 µm et 275 ± 7 µm, respectivement. Pour cette eau spécifique, un temps de maturation de 1 minute à 21˚C est suffisant pour former des flocs lestés appropriés dans des conditions à l’échelle du laboratoire (c’est-à-dire des conditions hydrodynamiques idéales). La figure 6 fournit une preuve visuelle directe que la floculation était complète après 1 min. Pour les eaux usées testées, 30 à 40 secondes ont suffi pour achever l’agrégation et éliminer 99 % de la turbidité.

Influence du microsable : la taille du microsable est un facteur important à considérer dans la floculation lestée. Les gros grains de haute densité sont connus pour générer une répulsion hydrodynamique importante sur les plus petites particules en suspension (Thomas, Judd, & Fawcett, 1999). De plus, les gros grains de microsable sont difficiles à maintenir en suspension en raison de leurs vitesses de décantation élevées. Ceci est préoccupant car des énergies plus élevées (G) provoquent la fragmentation du floc ainsi qu’une augmentation de la consommation totale d’énergie de l’usine. Cette étude présente une nouvelle compréhension du comportement des microsables pour les applications d’eau potable et d’eaux usées. Les données synthétiques dérivées des observations du floc ont montré une corrélation entre le plus grand grain de microsable incorporé dans le floc et la taille du floc. Indépendamment du choix du polymère, de la valeur de G pendant la floculation et de la source d’eau, il a été observé que des flocs plus grands étaient capables d’incorporer de plus gros grains de microsable. Des mécanismes d’incorporation similaires ont été rapportés par Young et Edwards (2000). Les flocs produits dans des conditions optimales avec un dosage élevé de polymère (i.e., 0,5 mg/L de PAM pour les applications d’eaux usées ayant une turbidité élevée) ont incorporé tous les grains disponibles de la distribution de microsable. Par conséquent, pour les applications dans les eaux usées, des grains plus gros (> 300 µm) pourraient être injectés pour lester les agrégats. Cependant, la conclusion inverse devrait être tirée pour les plus petits flocs produits dans certaines applications d’eau potable (par exemple, exploitées avec de faibles doses de coagulant/polymère, avec des polymères de faible poids moléculaire ou dans des conditions de mélange inadaptées). Dans ces conditions, une partie importante de la distribution de microsable n’est pas incorporable dans la structure du floc. Cette observation conduit à des recommandations spécifiques pour les applications d’eaux usées ou d’eau potable car la corrélation établie pourrait prédire la taille de grain appropriée, c’est-à-dire le plus gros grain incorporable dans le floc.

Les caractéristiques des flocs ont été évaluées dans différents scénarios de floculation (type de polymère, G et source d’eau) pour deux distributions de microsable. Le premier microsable avait un diamètre moyen de 140 µm (45-300 µm). Le second a été produit par tamisage et avait un diamètre moyen de 80 µm (45-140 µm). Cette comparaison a été effectuée pour évaluer si la plus grande fraction de sable (140-300 µm) était efficacement incorporée dans les flocs lestés. La figure 8 illustre la plus grande taille de grain de microsable qui a été incorporée dans un floc lesté en fonction de son diamètre moyen. Il est démontré que les flocs lestés plus grands ont la capacité d’incorporer de plus gros grains de microsable. Par exemple, lorsque la floculation a été effectuée avec un polymère biosourcé, environ 27 % de la distribution de sable (sur une base pondérale) n’était pas incorporable dans les flocs. Dans ce scénario, le plus gros grain identifié dans tous les flocs avait un diamètre de 183 µm, alors que la distribution granulométrique disponible était plus large (45-300 µm). Des observations similaires ont été faites dans des conditions de cisaillement élevé pendant la floculation (G = 300 s^-1). Pour une application dans les eaux usées qui nécessite des doses élevées de PAM, des flocs plus grands ont été produits. Dans ce scénario, l’ensemble de la distribution de microsable était intégrable dans la structure des flocs lestés.

Mise en application industrielle

Les vitesses de décantation des flocs suivent une distribution log-normale.

L’avantage de la floculation lestée par micro sable est qu’elle permet de produire de façon constante des eaux clarifiées de haute qualité sous une variété de conditions de traitement différentes. L’Actiflo® offre des performances et des conditions opérationnelles stables même avec des variations importantes de la qualité de l’eau brute et/ou avec des ressources en eau difficiles à traiter. Ces caractéristiques de performances font de ce procédé un excellent choix pour des installations qui vont être soumises à des pics significatifs de l’eau brute en termes de turbidité ou des changements saisonniers de la qualité de l’eau. Les résultats de tests en conditions extrêmes conduits à Salisbury (Caroline du Nord, USA) sont présentés ci-après figure 10.

Comparé à l’Actiflo® de première génération, la version actuellement mise en œuvre par OTV Veolia comme l’Actiflo® Turbo figure 11 est intéressante sur le plan énergétique. Grâce à la jupe qui entoure le mélangeur, l’énergie à mettre en œuvre pour obtenir cette qualité de mélange est de l’ordre du huitième de l’énergie nécessaire à une agitation en espace ouvert de type classique. Cette dernière (la jupe) permet de transformer tous les mouvements radiaux qui ne sont pas intéressants sur le plan du process en mouvements dans l’axe vertical, ce qui entraîne un bien meilleur rendement. De plus, la collerette en acier inox permet d’avoir des pertes de charge réduites au minimum. En réalité, si le principe du « draft tube » ou jupe en français est connu dans les applications de coagulation et floculation depuis longtemps, mais la crainte portait sur un risque de casse qui peut entraîner une qualité de traitement dégradée par cisaillement du floc. En fait, c’est l’inverse qui se produit. L’agitation est très puissante tout en étant douce. Il n’y a pas de mouvements intempestifs qui vont casser le floc. Tous les mouvements sont verticaux soit à la montée, soit à la descente. L’intérêt c’est qu’il est désormais possible de faire des flocs beaucoup plus gros, beaucoup plus rapidement. Or, qui dit flocs plus gros dit flocs lestés non pas avec deux ou trois grains de microsable (taille environ 100 µm) mais plutôt d'une dizaine, ce qui a pour effet de quasiment doubler les vitesses de décantation. Quand un floc est chargé de ce microsable il est tellement lesté que sa vitesse de décantation avoisine les 150 à 200 m/h. Il est ainsi possible de tendre, dans la zone de clarification, à des vitesses proches de 100 m/h à contre-courant (décantation).

Conclusions

Le procédé de décantation dynamique Actiflo® représente une des technologies les plus performantes actuellement disponibles sur le marché pour la production d’eau de service à partir des eaux de surface. En effet, ce procédé de traitement est très bien adapté aux variations de la qualité des eaux de surface observées durant l’année. Sa compacité et sa souplesse d’opération lui confèrent des caractéristiques toutes indiquées pour la modernisation d’ouvrages existants ou pour la construction de nouvelles usines de traitement d’eau de service dans les domaines industriels tel que l’énergie (appoint de Tour aéroréfrigérante), papeteries, agroalimentaires, mines et carrières etc… Fort de plus de 30 ans d’expérience et plus d’un millier de références de part le monde, le procédé de décantation lestée Actiflo® peut servir à d’autres applications dans l’industrie, en particulier pour traiter les eaux de procédé en circuit fermé ou agir comme traitement tertiaire à l’effluent des usines. D’une part, le procédé permet de traiter les eaux de procédé riches en matières en suspension et d’autre part, contribue à réduire la demande biologique en oxygène (DBO) et l’enlèvement du phosphore et des matières en suspension des effluents industriels avant leur rejet dans le milieu récepteur.