Docteur des Sciences Chimiques Directeur Scientifique Institut de Recherche de l’Industrie de l’Énergie Électrique (Budapest)
1. INTRODUCTION
La pollution des eaux industrielles s’accentue continuellement. Parmi les polluants ce sont surtout les matières organiques qui sont préjudiciables, acides organiques, acides lignosulfoniques, détergents et autres. Pour purifier et décarbonater l’eau on emploie le plus souvent des installations basées sur le principe de l'accélérateur. Les produits chimiques sont introduits dans la chambre de réaction. L’eau, les produits chimiques et la boue sont mélangés par une installation mécanique qui fait également le raclage.
Nous allons maintenant parler d’un réacteur de petite et moyenne performance (max. 1 000 m³/h) développé en Hongrie.
2. LE PRINCIPE DU RÉACTEUR NADOX
Le réacteur (fig. 1) se compose d’une chambre de décantation (1), d’une chambre de réaction (2), d’un tube de recirculation de la boue (3) et d’un tube d’introduction de l’air (4). L'installation fonctionne de la manière suivante : l’eau brute (9), éventuellement préchauffée par un injecteur à vapeur (10), les réactifs, le lait de chaux (5), le sulfate ferreux (6) sont mélangés dans la chambre de réaction (2). Le mélange et la recirculation de la boue sont assurés par la chute de poids spécifique causée par l’air (4) introduit dans le tube de recirculation (3). L’air peut pénétrer à une pression de vapeur de 2-3 bar (7) dans le tube de recirculation de la boue par un injecteur vapeur-air (8). Naturellement, il est également
possible d’employer un compresseur. L’eau purifiée et décarbonatée quitte le réacteur par une tubulure (11). La boue est extraite par une soupape (12). Les réactifs peuvent également être introduits par le tube de recirculation de la boue.
Dans le réacteur, l’air sature l’eau en oxygène. Cela aide par exemple l’oxydation Fe(OH)₂, qui se produit sur le primaire par l’hydrolyse transformant le FeSO₄ bivalent en Fe(OH)₂, à solubilité réduite. Ainsi, une grande absorption de l’hydroxyde ferreux peut être assurée sans augmenter la teneur en fer de l’eau traitée. L’oxygène, dans un environnement basique, oxyde une partie des matières organiques.
La recirculation de la boue se fait lentement et les particules de boue peuvent facilement décanter. Dans le système triphasé le mélange est bon. Dans la chambre de réaction on peut également floculer la boue.
Le réacteur ne contient pas de parties tournantes, il est donc très fiable. On peut régler la recirculation de la boue par la quantité d’air et la hauteur de la colonne d’eau ainsi que la concentration maximale de l’oxygène en solution.
Figure 2. Schéma de la recirculation.
La quantité d’air nécessaire pour le transport de l’eau polluée (fig. 2) peut être calculée de la façon suivante :
H · δ₁ = (H + h) · δₘ kp/m², et
ou
c = 17,254 (H + h)
H
V = air nécessaire pour soulever un m³ d’eau à la hauteur h (en m³) H = profondeur de l’introduction de l’air par rapport au niveau d’eau (en m) h = hauteur d’élévation de l’eau (en m) δ₁ = poids spécifique du liquide (en kg/m³) δₘ = poids spécifique du mélange liquide-air (en kg/m³)
Si nous étudions le réacteur pour une performance de Q m³/h et un nombre de recirculation n, la quantité d’air nécessaire est :
Q · n · V m³/h
Dans le tube de recirculation on peut prendre en considération une vitesse de circulation du liquide de 0,5 – 1,5 m/s et h = 0,5 – 2 m.
3. RÉSULTATS DE FONCTIONNEMENT
3.1. Essais comparatifs accomplis avec l’eau du Danube
En 1972 on a transformé un réacteur classique en système Nadox (fig. 3). Les caractéristiques de ce réacteur sont décrites dans le tableau 1. Le tableau 2 représente le temps de passage et la vitesse de circulation dans le réacteur et le volume de réaction en fonction de la charge.
Au même endroit on a fait fonctionner un réacteur identique, qui n’avait pas été transformé. L’eau brute (tableau 3) est l’eau du Danube, venant du réseau industriel. Dans le réacteur, la chaux était alimentée sous forme de lait, et on a introduit dans les deux réacteurs 10 – 15 g/m³ de sulfate ferreux en poudre.
Dans le réacteur qui n’avait pas été transformé il a été impossible de dépasser la performance de 85 t·h parce…
Tableau 1
Caractéristiques du réacteur Nadox
| Performance Q ............................................... 120 m³/h |
| Durée de passage, t ....................................... 1,75 h |
| Vitesse d’élévation de l’eau, V ........................ 1,00 mm/s |
| Quantité d’air, V ........................................... 200 m³/h |
| Profondeur d’introduction de l’air, H ............... 6,5 m |
| Hauteur d’élévation de la boue, h .................... 1,1 m |
| Intensité de la circulation de la boue, Q·n ........ 350 m³/h |
| Quantité spécifique de l’air ............................. 0,571 m³ air/m³ boue |
| Rapport de la circulation de la boue, n ............ 2,92 m³/m³ |
| Temps dans le réacteur, tᵣ .............................. 0,3 h |
| Intensité de la recirculation de la boue dans la chambre de réaction, nᵣ ............................... 7,78 m³/m³ |
| Quantité de vapeur (3 bar) .............................. 500 kg/h |
| Augmentation de la température de l’eau ........ 2,5 – 3,0 °C |
| Température de l’eau traitée ........................... 18 – 22 °C |
Tableau 2
Temps de passage et vitesse de circulation dans le réacteur
| m³/h | Dans le réacteur (h) | Dans la chambre de réaction (h) | Vitesse (mm/s) |
|---|---|---|---|
| 40 | 5,25 | 0,9 | 0,334 |
| 50 | 3,50 | 0,5 | 0,50 |
| 80 | 2,60 | 0,45 | 0,676 |
| 100 | 2,10 | 0,36 | 0,84 |
| 120 | 1,75 | 0,3 | 1,00 |
Tableau 3
Analyse de l’eau brute
| Ca²⁺ × Mg²⁺ ............................... 3,5 – 3,8 mg equv/l |
| Na⁺ + K⁺ .................................... 1,5 – 2,0 mg equv/l |
| Ca²⁺/Mg²⁺ .................................. 2 |
| HCO₃⁻ ....................................... 2,7 – 2,95 mg equv/l |
| 2p – m ....................................... 0,23 ± 0,03 mg equv/l |
| Cl⁻ + SO₄²⁻ ............................... 2,3 – 2,85 mg equv/l |
| SiO₂ ......................................... 3,0 – 6,62 mg/l |
| KMnO₄ — consommation ........ 18,7 – 26,2 mg/l |
Tableau 4
Tableau d’analyse et de comparaison
| Débit t/h | 10-30 | 40-60 | 60-85 | 85-120 |
|---|---|---|---|---|
| p mg equv/l | ||||
| E | 0,36 | 0,47 | 0,76 | — |
| N | 0,56 | 0,52 | 0,50 | |
| m mg equv/l | ||||
| E | 0,85 | 0,78 | 1,26 | — |
| N | 0,88 | 0,81 | 0,80 | |
| DT mg equv/l | ||||
| E | 1,75 | 1,75 | 2,34 | — |
| N | 1,82 | 1,62 | 1,64 | |
| S + DT mg equv/l | ||||
| E | 2,84 | 2,66 | 4,20 | — |
| N | 2,20 | 2,50 | 2,40 | |
| SiO₂ mg/l | ||||
| E | 4,7 | 3,75 | 2,42 | 1,90 |
| N | 27,4 | 38,2 | 50,0 | 72,0 |
| Δ KMnO₄ | ||||
| E | 48,5 | 46,6 | — | — |
| N | 80,7 | 58,6 | 78,0 | |
| Δ Spectre UV | ||||
| E | 30 | 43 | 46 | |
| N | 63 | 56 | 58 | |
| Efficacité de l’adoucissement % | ||||
| E | 77 | 79 | 65 | |
| N | 76,2 | 70,0 | 78,4 | |
| Efficacité de la clarification % | ||||
| E | 80,0 | 84,6 | 65 | |
| N | 82,7 | 87,5 | ||
| Rapport de l’eau brute et de la boue | ||||
| E | 1 | 1 | 1 | |
| N | 6 | 4 | 3 | |
| Filtrabilité ml/min | ||||
| E | 67 | 40 | 33 | |
| N | 148 | 70 | 69 | |
E = Réacteur original N = Réacteur Nadox S = Boue suspendue soluble dans de l’acide D = Diminution de matière organique en pourcentage
Le tableau 4 montre la basicité mesurée avec de la phénolphtaléine (nombre p), la basicité mesurée avec de l’orange de méthyle (nombre m), toute la dureté restante (DT), la boue suspendue soluble dans de l’acide (S) et la dureté totale (S + DT), la réduction en pourcentage de Ca(OH)₂, de SiO₂ et de KMnO₄, la réduction en pourcentage de l’absorption ultra-violette, le résultat de l’adoucissement et de la purification, le rapport de recirculation boue/eau brute et les données de filtration. En prenant en considération toute la série, pour un chargement de 50 à 120 t/h dans le réacteur Nadox :
– réduction de la consommation KMnO₄ = 72 ± 14 % – performance de purification = 88 ± 5 % – filtrabilité = 148 ml/min jusqu’à 60 t/h, 70 ml/min jusqu’à 80 – 120 t/h.
Dans l'installation spéciale, sans recirculation de boue, les mêmes caractéristiques pour une charge de 10-85 t/h sont de :
p = 0,53 + 0,17 mgeqv/l m = 0,96 + 0,30 mgeqv/l 2p ‑ m = 0,2 + 0,08 mgeqv/l DT = 1,69 + 0,07 mgeqv/l SiO₂ = 4,37 + 1,48 mgeqv/l
réduction de la consommation KMnO₄ = 38 % ± 22 % filtrabilité = 67 ml/m jusque 30 t/h = 35 ± 5 ml/m 40-85 t/h
La recirculation oxydante de la boue a donné des résultats nettement plus favorables dans la réduction du contenu de matière organique, dans la filtrabilité et la performance de purification.
3.2. Traitement de l'eau de la rivière Sajo
La rivière Sajo est un des cours d’eau les plus pollués du pays. Ce cours d'eau est très contaminé par les eaux résiduelles des industries environnantes, surtout des eaux de papeteries et des usines de cellulose. La consommation en KMnO₄ de l'eau est de 50-400 g de KMnO₄ par m³ suivant la crue de l'eau. Les réacteurs classiques ne pouvaient pas fonctionner parce que la précipitation ne commençait pas. La forte teneur en matières organiques de l'eau traitée produisait de la mousse dans les chaudières. En 1974 on a mis en œuvre un réacteur de système Nadox d'une performance de 50 m³/h. L’eau décarbonatée et purifiée est filtrée par une installation échangeur de déminéralisation.
Suivant les relevés de 1978 de l'usine, l'eau brute avait une dureté en carbonate de 4,0-4,5 mgeqv/l, la dureté totale était de 6,5-8,5 mgeqv/l, le contenu en matière organique de 50-200 mg KMnO₄/l, la conductivité électrique spécifique de 700-1 200 µS/cm. À ce même moment les caractéristiques de l’eau filtrée décarbonatée étaient :
p = 0,4 — 0,5 mgeqv/l m = 0,6 — 0,8 mgeqv/l consommation KMnO₄ = 5 — 20 mg/l
Le dosage de sulfate ferreux varie entre 20 et 50 mg/l. Dans le tableau 5 nous communiquons des données mesurées pendant des journées de travail réel. La diminution de la teneur en matière organique a été dans les deux cas de 90 %. La réduction de la dureté en carbonate sur le filtre (après réaction) était de 0,2 mgeqv/l, ce qui est équivalent à 10 mg/l de CaCO₃.
Tableau 5
Caractéristiques de l'eau produite dans le réacteur Nadox
| Eau brute | Après réacteur | Après filtre | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 18-2-1978 | 2-3-1978 | 18-2 | 2-3 | 18-2 | 2-3 | |
| p-alcalinité (mgeqv/l) | 0 | 0 | 0,55 | 0,50 | 0,50 | 0,45 |
| m-alcalinité (mgeqv/l) | 4,0 | 4,5 | 0,90 | 0,80 | 0,75 | 0,65 |
| Dureté totale (mgeqv/l) | 8,4 | 7,0 | 5,89 | 3,67 | 5,74 | 3,52 |
| Matière organique KMnO₄ (mg/l) | 160,0 | 57,5 | 20,5 | 8,05 | 16,5 | 5,5 |
| Dureté carbonatée restante (mgeqv/l) | — | — | 0,7 | 0,6 | 0,5 | 0,4 |
| Surplus de Ca/OH₂ (mgeqv/l) | — | — | 0,20 | 0,20 | 0,25 | 0,25 |
| FeSO₄ (mg/l) | 45 | 20 |
4. Domaines d’emploi du réacteur Nadox
Pour l'emploi du réacteur décarbonateur et purificateur présenté ici, nous prenons en considération deux points de vue différents : en premier lieu, dans ce réacteur il n'y a pas de partie tournante, c’est-à-dire que l'on peut assurer une recirculation peu brutale mais tout de même intensive quelle que soit l'eau à traiter. D’autre part, les résultats sont nettement meilleurs en ce qui concerne la décarbonation, la purification et la réduction du contenu en matière organique des eaux très polluées, dans un milieu basique avec dosage du sulfate ferreux, qu’avec les autres procédés employés jusqu’ici.
