Le recyclage de l'eau dans le circuit de fabrication du papier est étroitement lié à la récupération des fibres, de l'énergie et des produits chimiques. Afin d’obtenir une eau recyclable de qualité irréprochable, ces phases de récupération devraient travailler avec un rendement d’épuration très élevé : c'est pourquoi elles sont souvent accompagnées de procédés additionnels visant spécifiquement au traitement de l'eau en circuit. Dans la production du papier, l’eau est utilisée d’une part pour la préparation de la pâte et d’autre part pour la plus grande partie comme eau de rinçage des machines à papier. C’est dans ce but que les matières en suspension et les fibres restantes qui pourraient obturer les endroits délicats de la machine, par exemple les buses de rinçage, doivent être éliminées. Le recyclage de l'eau en circuit visera également à atteindre la diminution ou la limitation de la concentration des matières solubles gênantes. Suivant les conditions spécifiques de la production du papier, le recyclage de l’eau prend des aspects différents et il peut être opéré à divers stades de la production. Lorsque la fabrication du papier est combinée avec une production de pâte chimique, de pâte thermo-chimique ou de carton, il est aussi possible de faire passer l'eau d'une chaîne à l'autre : les divers circuits sont alors moins fermés et la concentration de certaines substances dans l’eau moins élevée. Le recyclage de l'eau dans le circuit est effectué la plupart du temps après épuration des eaux usées, si bien que les matières solubles et insolubles peuvent être éliminées.
Divers cas d'application de la filtration sur lit profond de matériau granuleux au recyclage d’eau en circuit sont présentés en détail ci-après. Cette technique dans laquelle le mécanisme de filtration s’étend sur la totalité de la profondeur du lit filtrant (figure 1) permet, avec une chute de pression minimale et à peu de frais, de retenir de grandes quantités de matières en suspension et d’amener la concentration dans l'eau des fibres restantes, ainsi que des matières en suspension, à des valeurs inférieures à 1 ppm.
La filtration peut être placée aussi bien après récupération des fibres par flottation qu’après floculation-sédimentation ou après épuration biologique complète. La filtration sur lit profond peut également être exploitée avec une floculation effectuée sur le filtre, c’est-à-dire en floculation-filtration, dans le but de mieux éliminer les matières solides et solubles, ceci pouvant dans l'avenir donner de nouvelles possibilités permettant de raccorder ou de combiner la filtration sur lit profond avec de nouveaux procédés comme l’adsorption ou les échangeurs d’ions.
LES POSSIBILITÉS DE LA FILTRATION DES EAUX DANS LA FABRICATION DU PAPIER
La filtration après flottation
Dans certains cas, par exemple lors de la production de papiers de couleurs différentes et intenses ou lorsque les eaux usées d'une usine sont traitées dans une station d’épuration assez éloignée simultanément avec d'autres eaux usées fortement polluées, la fermeture du circuit d'eau s’effectue au niveau de la machine à papier elle-même. Dans de tels cas le retraitement de l'eau du circuit est opéré après récupération des fibres.
La flottation par air dissous est l'un des procédés les plus répandus pour la récupération des fibres : les fibres sont entraînées vers le haut par les micro-bulles produites et peuvent être évacuées comme boues flot-
…tantes avec une consistance supérieure à 4 %. L’élimination des fibres peut atteindre plus de 99 % ; elle est très fortement dépendante des conditions d’exploitation de la flottation — charge superficielle, rapport gaz-matière solide (1) — et des caractéristiques hydrophobes des matières solides. La figure 2 indique par exemple comment la puissance de séparation de la flottation diminue en fonction de la teneur croissante en cendres des matières solides séparées (2).
L'eau issue de la flottation contient cependant encore une petite quantité de fibres. Les changements qualitatifs et quantitatifs dans l'eau du circuit peuvent en outre conduire momentanément à une augmentation de sa teneur en matières solides. Une filtration, correctement dimensionnée et raccordée en série, peut alors retenir toutes ces fibres, de façon que l'eau puisse être recyclée dans la machine à papier sans risque de colmatation. Il est aussi possible dans ce cas de coupler la filtration avec un autre procédé, par exemple physico-chimique, amenant une réduction supplémentaire des matières solubles.
Tableau 1 : Élimination des matières en suspension par un filtre à deux couches, après récupération des fibres par flottation.
| mg O₂/l | |||||||
| Date : | 19.8.80 | 19.8.80 | 18.10.80 | 16.10.80 | |||
| Vitesse de passage (m²/h) | 38 | 16 | 16 | ||||
| Eau brute | 1620 | 310 | 155 | 202 | 217 | 150 | |
| Eau filtrée | 150/850 | 15/17 | 138 | 15 | 38 | 73 | 43 |
| Élimination % | 79 | 87 | 78 | 34 | 90 | 47 | 66 |
* Détermination avec membrane 5 µ.
Le tableau 1 indique des résultats d’exploitation obtenus avec un filtre à deux couches après récupération des fibres par flottation. Les concentrations en matières solides relativement élevées à l’entrée du filtre sont dues, en plus des fibres, à la présence de particules plus fines et colloïdales, celles-ci étant en partie restées accrochées à la membrane filtrante, lors de l’analyse de la concentration des matières en suspension. Elles sont également présentes dans l’eau filtrée qui ne contenait plus aucune fibre. En exploitation continue, le filtre dont il est question apporte une eau impeccable à la machine à papier (Papeterie de CHAM-TENERO : figure 3). Les matières en suspension très fines ou colloïdales encore présentes qui, sans floculation sur le filtre, ne sont éliminées qu’à environ 50 %, n’ont pas d’influences néfastes sur la fabrication du papier. Le degré de fermeture du circuit (de 30 l/kg à environ 12 l d’eau par kilogramme de papier après mise en service de la filtration) peut être lu à la valeur relativement haute de la DCO (tableau 1).
La filtration après floculation-sédimentation
Lorsque la papeterie dispose d'une station d’épuration des eaux usées, il est avantageux de recycler l'eau après qu’elle soit passée par ce prétraitement (circuit tertiaire). Si l'eau est floculée au moyen de minéraux adsorbants ou avec des polyélectrolytes, la salinité s’élève très peu. Ce procédé permet une élimination presque intégrale de la couleur et une élimination jusqu’à plus de 35 % de la DCO (3) ; les matières en suspension résiduelles sont présentes en petite concentration. Des résultats typiques de la filtration d'une telle eau pré-épurée avec un filtre à deux couches (4) sont représentés sur le tableau 2.
Tableau 2 : Élimination des matières en suspension par un filtre à deux couches, après floculation-sédimentation (détermination des matières en suspension avec filtre de 1 µ).
| Date — Juillet 1979 : | 4 | 5 | 6 | 9 | 10 | 11 | 12 | 16 | 17 | 18 | 23 | |
| Eau brute (mg S.S./l) : | 19 | 18 | 112 | 25 | 7 | 130 | 180 | 42 | 25 | |||
| Eau filtrée : | 6 | 7 | 73 | 47 | 32 | 6 | 8 | 8 | 35 | 48 | 43 | |
| Élimination % : | 69 | 61 | 79 | 79 | 40 | 65 | 73 | 97 | 89 | 97 | 90 | 86 |
On voit que la concentration en matières en suspension, après la floculation-sédimentation se situe à des valeurs relativement basses (10-40 mg M.S./l). Des pointes de charges de plusieurs heures avec des concentrations en matières sèches supérieures à 100 mg M.S./l sont possibles ; elles sont toutefois
… complètement amorties (tableau 2) : à la sortie du filtre, la concentration en matières en suspension est inférieure à 7 mg/l et aucune fibre n’est plus présente. La filtration offre ainsi une protection efficace contre des arrivées élevées et momentanées de matières en suspension, comme cela est possible lors des variations de qualité, ou par entraînement de dépôts.
Grâce à cette combinaison de procédés, les besoins en eau peuvent descendre à environ 12 l/kg de papier ; dans le cas d’une fabrique de carton (5 et 6), on peut descendre ainsi à moins de 5 l/kg. Cependant, de nouveaux facteurs sont à prendre en considération lorsqu’on incorpore dans le circuit de l’eau la mise en œuvre d’une filtration. Aussi longtemps que la salinité de l’eau du circuit ne dépasse pas dix fois la valeur existant avant la fermeture du circuit, la plupart du temps il ne se produit pas d’effets secondaires sur la qualité du papier. Si toute activité biologique peut être exclue, le danger de corrosion par les ions chlorure et sulfate n’est à craindre que lorsque le pH est bas. Avec la présence simultanée d’une haute teneur en substances organiques solubles, il peut se former dans le circuit des zones anaérobies, où des micro-organismes se développent, produisant ainsi un « slime » biologique.
Les ions sulfates présents sont alors réduits en sulfures (S²-), et des acides organiques se forment. Quoique, avec l’emploi de l’acier inoxydable, le danger de corrosion puisse être pratiquement proscrit, il est judicieux d’en combattre les causes afin de protéger les groupes auxiliaires et les conduites. Un premier résultat peut par exemple être obtenu en remplaçant le sulfate d’aluminium utilisé dans la fabrication du papier par le polyhydroxychlorure d’aluminium (sans sulfate) avec des effets positifs sur la qualité du papier.
La filtration après épuration biologique
La fermeture du circuit, réalisée par insertion de la filtration après épuration biologique, apporte certains avantages qui vont dans le même sens de lutte contre la corrosion : on obtient ainsi une diminution sensible des substances organiques conduisant à une réduction d’oxygène qui, lors d’une fermeture du circuit, se traduit par une diminution des dangers de corrosion, un nombre plus faible de germes et la réduction de certaines substances pouvant gêner la fabrication du papier.
Après une épuration biologique avec un système à haut rendement et très approprié pour les eaux usées de papeterie, la biologie ABR avec aération des boues en retour (7) (8), on atteint par exemple des valeurs en DCO inférieures à 90 mg O₂/l, et en DBO, inférieures à 10 mg O₂/l dans les papeteries à production TMP. La biologie ABR se distingue par la très bonne sédimentalité des boues, menant à des concentrations de matières en suspension résiduelles également minimes.
La floculation-filtration opérée peu avant la filtration sur médium granuleux, au moyen d’une faible quantité de floculant, permet une très bonne élimination des matières insolubles (> 90 %) et même solubles.
La floculation-filtration est actuellement de plus en plus appliquée pour le traitement avancé des eaux usées épurées biologiquement. Dans l'épuration des eaux usées urbaines, on atteint ainsi lors d'un tel traitement avancé, des concentrations en DBO, et en matières en suspension, inférieures à 5 mg/l avec élimination du phosphore (figure 4). La floculation-filtration permet également une diminution du nombre de germes supérieure à trois puissance dix (par ex. diminution des colibacilles de 10⁴ à 10 par ml).
LA FILTRATION SUR LIT PROFOND DE MATÉRIAU GRANULEUX
Caractéristiques spécifiques et optimisation
Les caractéristiques fondamentales de la filtration sur lit profond sont définies ci-après, en prenant l’exemple de la floculation-filtration d'une eau usée épurée biologiquement. Elles sont en principe applicables à la filtration d'eau de circuit après une flottation ou une floculation-sédimentation : on y reviendra plus bas lors de la définition des paramètres caractérisant la filtration.
Les performances de la filtration sur lit profond — rendement d’élimination élevé avec des chutes de pression relativement basses — peuvent être expliquées par les mécanismes de fixation spécifiques rencontrés : l'adhérence des matières en suspension aux grains du filtre est obtenue grâce à leur inertie ainsi qu’aux mécanismes dus à l'hydrodynamique, la gravitation et l'interception à l'intérieur de la masse filtrante. Ces mécanismes, qui se différencient de ceux d’un tamisage, ont comme conséquence que les performances de la filtration dépendent fortement des répercussions entre les caractéristiques de la suspension à filtrer et les paramètres de floculation et de filtration. La réalisation d'une filtration tout à fait performante demande, en raison de la sensibilité réciproque de tous ces paramètres, une adaptation précise des conditions d’exploitation à la situation spécifique rencontrée.
Bien que de nombreux dimensionnements soient possibles, on peut distinguer deux combinaisons fondamentales des paramètres de la filtration :
- — les matériaux de granulométrie fine correspondant à des profondeurs de lit, des charges et des chutes de pression faibles (filtration en surface) ;
- — les matériaux plus gros pouvant être combinés avec des charges, profondeurs de lit et chutes de pression plus grandes (filtration en profondeur). Dans ce cas, on peut ajouter un floculant en plus grande quantité.
Les courbes typiques des chutes de pression et des concentrations rencontrées dans ces deux cas sont représentées (9) sur la figure 4. Les profondeurs de lit ont dans les deux cas été optimisées d’après la méthode décrite en (9).
La réalisation d’un filtre à deux ou plusieurs couches apporte de gros avantages à la conception du filtre sur lit profond : les couches inférieures (de granulométrie plus fine) peuvent alors remplir tout à fait leur rôle pour l'élimination des particules les plus petites contenues dans l'eau, sans que l’on ait le désavantage de hautes chutes de pression ou du cisaillement des flocs d’hydroxyde volumineux que l'on aurait si on faisait fonctionner le filtre avec une seule couche. Dans le cas de la filtration à plusieurs couches, les différents matériaux filtrants doivent être choisis de façon que leurs densité et granulométrie permettent leur parfaite séparation dans la dernière phase du lavage.
La figure 6 représente l’effet de la phase de lavage avec l’air et l'eau. On peut imaginer combien de matière polluante serait encore restée dans le filtre, si aucune phase air-eau n’avait été introduite. D’autres aspects, qui augmentent fortement l'efficacité du lavage, sont à trouver dans le mode de construction et la technologie.
CARACTÉRISATION DE LA FILTRATIONSUR MATÉRIAU GRANULEUX
Paramètres fondamentaux
Afin d’obtenir des indications plus amples sur les mécanismes de filtration et de pouvoir procéder à des comparaisons entre les résultats d’installations pilotes, en grandeur nature, les performances de la filtration peuvent être définies par la formule suivante :
\[ \frac{dC}{dh} = -\lambda C \]
C’est l’équation d’IVASAKI (10) dans laquelle λ est le coefficient de filtration et décrit l’efficacité de la filtration ; λ est la pente de la courbe de concentration des matières en suspension (C/C₀) en fonction de la profondeur de lit. De très hautes valeurs de λ à la surface du filtre indiquent une filtration superficielle. Dans des cas usuels de filtration sur lit profond, λ décroît (10) avec des charges croissantes du filtre (figure 7).
L’équation suivante (2) :
\[ \frac{dP}{dh} = \left( \frac{dP}{dh} \right)_0 + K \cdot \sigma \]
décrit, d’après IVES, la croissance de la chute de pression sur le filtre quand celui-ci agit comme filtre à lit profond. K doit dans ce cas rester constant avec une charge croissante.
Symboles utilisés
| A | surface du filtre (m²) |
|---|---|
| C₀ | concentration en matières en suspension (C₀ = à l’entrée du filtre) |
| C_fe | addition de floculant (mg métal/l) |
| h_f | profondeur du lit filtrant |
| K | coefficient de chute de pression (mCE × m³/cm × kg) |
| ΔP | chute de pression (mCE) |
| Q | débit (m³/h) |
| t | temps de rétention du filtre (h) |
| V_L | charge superficielle (m³/m²·h) |
| d/dh | différentielle partielle sur la profondeur du lit |
| λ | coefficient de filtration (cm⁻¹) |
| σ | charge du filtre (kg/m²) |
RÉSULTATS AVEC DE L’EAU USÉE,ÉPURÉE BIOLOGIQUEMENT
Des valeurs de K, λ ont été obtenues à la suite de grandes séries d’essais sur de grosses stations pilotes, dans lesquelles de l’eau usée épurée biologiquement alimentait des filtres de diverses granulométries. Les valeurs dC, dh, dP ont été estimées par différence des valeurs C, h et P entre deux hauteurs de prise d’échantillons distantes de 15 cm. La charge σ a été calculée d’après :
\[ \sigma = (C₀ - C) \cdot V_L \cdot t \]
Le taux de matières organiques, 45 % à 57 %, indique si un floculant a été ajouté à l’eau usée épurée en vue d’une floculation-filtration ou non.
La forte croissance de l’efficacité de la filtration lors d’une diminution de V_L de 10 à 5 m/h — résultats sans floculant, mat. org. = 57 % — indique un déplacement dans la direction d’une filtration superficielle. Bien que le coefficient de pression K soit similaire dans les deux cas (figure 8), ceci conduit à des charges plus élevées dans les couches supérieures du filtre, c’est-à-dire à des pertes de charge plus importantes. L’influence de l’addition de floculant (F) est à observer : avec V_L = 10 m/h par contre, il se produit un déplacement en direction de la filtration sur lit profond. On remarque en outre qu’avec V_L = 5 m/h lors de l’addition de F, les couches inférieures du filtre deviennent actives après que la partie supérieure du filtre ait atteint une charge limite et devienne ainsi moins active.
ainsi dire une migration du front de filtration vers le bas. Avec Vₑ = 10 m/h ceci n’est plus apparent ; dans ce cas l'efficacité des couches inférieures est plus faible.
Ceci a été aussi décrit par Boller (11) ; il semblerait que ce soit dû à de plus petites particules qui ne peuvent être alors éliminées d’une façon parfaite que par la mise en service d'une deuxième couche filtrante de granulométrie plus fine (comme c’est le cas dans un filtre à deux ou plusieurs couches).
Le coefficient K ne varie que peu en fonction de la charge a. C'est uniquement avec des granulométries plus fines ou, dans des cas spéciaux, avec 5 m/h que la croissance de K, en fonction de a, témoigne du déplacement des mécanismes de filtration dans la direction d'une filtration en surface. L’addition de floculant (fer) rassemble les matières en suspension en flocs plus mobiles, ce qui entraîne le ralentissement des chutes de pression.
Filtration d’eau de circuit après récupération des fibres par flottation ou floculation-sédimentation
Les performances des stations de filtration d'eau en circuit dans une fabrication de papier peuvent être rapportées de la même façon que sur les figures précédentes (figures 7 et 8).
Après la récupération des fibres par flottation ainsi qu’après la floculation-sédimentation, les valeurs de K — bien que du même ordre de grandeur — sont généralement plus élevées que dans la filtration d'eau usée épurée biologiquement. Ceci est à imputer à la présence de particules de plus grande densité (fibres) et de substances à poids moléculaire élevé (polymères) dans l'eau du circuit.
Tableau 3 : Évaluation des résultats de la filtration d'eau en circuit dans la fabrication du papier. Coefficient K = Augmentation du gradient de pression / charge
| Diamètre des grains | Vitesse de passage (m/h) | Sédiment en suspension dans l’eau brute (mg/l) | Charge a (w·s⁻¹) | Coefficient K (×10⁻⁴) | Nature de l’eau brute |
|---|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 16 | 100 | 4,0 | 4,05 | Sortie flottation |
| 38 | 100 | 8,1 | 6,1 | ||
| 16 | 100 | 8,7 | 3,7 | ||
| 38 | 100 | 8,7 | 3,2 | ||
| 0,8 mm | 40 | 0,23 | 300 | 3,0 | Après floculation-sédimentation |
| 22 | 40 | 0,25 | 8,3 | ||
| 0,6 mm | 12 | 25 | 8,3 | 8,3 | |
| 4 | 40 | 0,166 | 5,2 | Sortie floculation-sédimentation | |
| 8 | 25 | 8,9 | 2,4 |
On peut signaler (tableau 3) qu'une forte élévation de la vitesse de passage de 16 à 38 m/h a pour conséquence une diminution du coefficient de chute de pression (de 6,1 à 3,7). Ceci indique un déplacement des mécanismes de filtration dans la direction de la filtration sur lit profond. Des vitesses de passage plus élevées conduisent à une diminution graduelle de l'élimination des matières en suspension (tableau 1).
Les caractéristiques représentées ainsi permettent de rechercher et de décrire la capacité de filtrer une suspension donnée avec un matériau donné. On voit ainsi que les eaux en circuit après flottation ou floculation-sédimentation, du fait de leur constitution et indépendamment de la concentration des matières en suspension, demandent des granulométries plus grosses. Elles doivent être d’ailleurs combinées avec les couches inférieures à granulométrie plus fine, si l'on veut garantir également l’élimination des matières en suspension plus fines que les fibres. On obtient de cette façon des concepts de filtres à deux ou plusieurs couches, qui restent toujours efficaces lors de l'arrivée de plus grandes quantités de matières en suspension. Le volume du lit filtrant est utilisé au mieux et les temps de rétention plus grands ainsi obtenus amènent à une consommation d'eau de lavage plus faible (figures 5 et 7).
La figure 9 montre qu’un filtre à deux ou trois couches, avec des granulométries de la couche supérieure de 3 à 4 mm, présente des temps de passage trois à quatre fois plus longs qu’un filtre à une seule couche. En installant un tel filtre pour le traitement de l'eau en circuit, on doit noter qu’après une récupération des fibres par flottation, l'eau contient encore une grande partie de matières solides et fibreuses, et que le filtre doit être lavé de façon efficace et relativement fréquente.
Pour ce qui concerne la résistance à l’abrasion, les exigences posées au matériau filtrant sont très grandes, en particulier pour le matériau de la couche supérieure (d’un diamètre d’au moins 3 mm). Il ne doit par conséquent être employé qu’un médium spécialement choisi (12).
CONCLUSION
La filtration est la base du retraitement de l’eau en circuit dans la fabrication du papier. Elle peut être exploitée et optimisée, en vue de l’élimination des matières solides avec ou sans floculation additionnelle sur le filtre. Lorsque la filtration est placée dans le circuit tertiaire, c’est-à-dire après traitement central des eaux usées, il en résulte un fonctionnement stable et de bonnes conditions pour ramener l’eau épurée biologiquement dans l’exploitation. Une telle eau contient moins de substances organiques solubles et peut être épurée jusqu’à obtention d’un nombre de germes très faible. Dans de tels cas, la filtration est le procédé de base rendant possible le raccord avec des procédés d’affinage supplémentaires tels l’adsorption, les échangeurs d’ions, etc., en vue de l’élimination de certaines substances solubles.
BIBLIOGRAPHIE
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(2) L. PELONI : Rapport interne Sulzer (1976).
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(7) J. GNIESER : Procédé par boues activées avec aération des boues en retour pour l’épuration des eaux de papeterie. Papierfabrikation Nr. 106, 862 (1978).
(8) H. GROS : L’épuration biologique des eaux usées des pâtes chimiques à haut rendement. Exposé tenu au symposium C.T.P., Grenoble (1980).
(9) H. GROS : Optimisation de la floculation-filtration pour le traitement avancé d’eau usée. V° Symposium européen des eaux usées et des déchets, EAS Munich (1981), p. 521-534. Gas ‑ Wasser ‑ Abwasser (CH), 62, n° 7, 289 (1982).
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(11) M. BOLLER et W. GUJER : Z. f. Wasser und Abwasserforschung 12, 84 (1979), Nr. 2.
(12) H. GROS, M. HALLER et H. BISCHOFBERGER : Filtration d’eau de circuit dans la fabrique de papier CHAM. Rapport interne Sulzer (1980).
