Société Degrémont
I. GÉNÉRALITÉS SUR L'ÉVOLUTION DE LA FLOTTATION ET SUR SES FORMES ACTUELLES
RAPPEL HISTORIQUE SUR LA FLOTTATION
La flottation est un exemple de transfert de technologie, déjà très ancien, entre l'industrie minière et le traitement des eaux ; ces deux industries présentent d'ailleurs de nombreuses analogies dans les procédés de séparation solide-liquide qu'ils mettent en œuvre (1).
Dans l'industrie minière, la flottation est une technique traditionnelle, mais elle y a été surtout développée depuis un siècle environ. L'idée est venue ensuite de l'appliquer au traitement des eaux, pour résoudre certains problèmes de séparation difficile des phases solide et liquide (matières légères) et éventuellement de récupération de produits.
Dans ce domaine, il semble que ce soit dans l'industrie du papier aux U.S.A. et en Scandinavie, pour le traitement des eaux blanches et la récupération des fibres, que la flottation ait été d'abord utilisée, peu après la Première Guerre mondiale (2) (3). Son champ d'application a continué de s'étendre à d'autres eaux résiduaires industrielles, avant et après la Seconde Guerre mondiale, en particulier aux effluents de l'industrie pétrolière (France, U.S.A.), du domaine agro-alimentaire, et de bien d'autres dont nous proposerons plus loin (chapitre III) une liste plus complète, sans être exhaustive. Elle a aussi été envisagée pour le traitement biologique des effluents urbains (4), mais sans grand succès, semble-t-il.
Parallèlement, elle connaissait un autre développement en Scandinavie pour le traitement des eaux naturelles à usage alimentaire ou industriel (3) (5) : les eaux brutes étant en général dans ces pays des eaux de lacs, douces, froides, colorées et peu chargées en matières en suspension, leur traitement par décantation conventionnelle s'avérait souvent difficile, particulièrement en hiver ; aussi ont-elles été de plus en plus traitées par flottation, surtout à partir de 1960. Il fallait aussi protéger ces lacs contre l'eutrophisation provoquée par les eaux résiduaires urbaines, même si celles-ci avaient subi une épuration biologique : c'est pourquoi l'application de la flottation aux traitements tertiaires de déphosphatation y a été un prolongement naturel de son utilisation pour la production d'eau potable.
La flottation est maintenant devenue un procédé courant dans tous les domaines du traitement des eaux, puisqu'aux applications précédentes sont venus s'ajouter le traitement physico-chimique des effluents urbains (dans le cas où il peut remplacer le traitement biologique classique) et l'épaississement des boues.
Dans la suite de cet exposé, nous verrons successivement ses formes d'utilisation, la technologie mise en œuvre et les principaux exemples de réalisation ; mais nous pouvons dès maintenant préciser que l'expansion que la flottation a connue ces dernières années s'explique surtout par le fait que, dans son champ d'application, elle permet souvent d'obtenir de plus grandes vitesses de séparation de phases qu'en décantation (6), donne naissance à des boues généralement plus concentrées (7) (8) (ce qui permet en général d'éviter une étape d'épaississement avant leur déshydratation), réclame dans certains cas moins de réactifs que la décantation (8) (9) (10) et autorise parfois une récupération plus facile de sous-produits valorisables : au total, ces avantages la rendent, dans certains cas, plus économique que la décantation (6) (10) (11).
LES DIVERSES FORMES D'APPLICATION DE LA FLOTTATION
Il faut encore rappeler qu'on peut distinguer trois types principaux de flottation (12) :
— la flottation naturelle, qui concerne soit des particules liqui
des solides de densité réelle inférieure à celle de l'eau et suffisamment grosses pour que leurs forces de répulsion soient négligeables (huiles, graisses), soit encore des particules solides présentant une densité apparente inférieure à celle de l'eau (charbons, cendres).
La vitesse de séparation des phases peut être augmentée par une insufflation d'air au sein de la masse liquide, sous forme de bulles de quelques millimètres de diamètre ;
- — la flottation mécanique, qui est mise en œuvre dans des flottateurs à air dispersé dans laquelle la création de bulles de 0,1 à 2 mm de diamètre est combinée avec l'emploi de réactifs collecteurs (surfactants) et éventuellement de produits moussants, destinés à accroître l'hydrophobie des particules et, corrélativement, leur affinité pour l'air porteur (ou plus généralement le gaz) ;
- — la flottation à microbulles (40 à 80 μm de diamètre), qui se subdivise elle-même en deux catégories de procédés :
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a) la flottation à air dissous, qui consiste à saturer l'eau en air sous une pression de 3 à 6 bars et à détendre ensuite brutalement cette eau par retour à la pression atmosphérique, pour provoquer l'apparition spontanée de bulles d'air très fines et très nombreuses ; il en résulte donc un « lait de bulles » qui, mélangé aux matières en suspension préalablement conditionnées ou floculées dans l'eau à traiter, provoquera leur flottation. Cette pressurisation peut être pratiquée soit sur l'eau brute (pressurisation directe de la totalité ou d'une fraction du débit), soit sur une fraction recyclée de l'eau traitée (pressurisation indirecte) : ces deux dispositions sont schématisées sur la figure n° 1. L'air peut être soit introduit par un compresseur dans un ballon de saturation à matelas d'air (8) (12), soit être aspiré par un hydro-éjecteur placé à l'aspiration d'une pompe ou entre deux pompes placées en série (12) (13).
Ce procédé peut aussi connaître diverses modalités dans :
- — le prétraitement de l'eau brute : le conditionnement chimique préalable consistera en général en une floculation pour les solides (colloïdes argileux, algues, fibres, pigments, goudrons, hydroxydes, etc.) et une coalescence ou une désémulsion pour les huiles ;
- — la mise en contact des bulles avec les matières à éliminer : adsorption directe des bulles sur les particules, accrochage des bulles sur un floc préformé (12) (14), ou croissance d'un floc autour des bulles (2) (15).
Lorsqu'il s'agit de faire flotter des boues, on ne pratique pas de floculation préalable des matières en suspension (MES), mais on introduit un floculant (polymère) dans l'eau pressurisée : la floculation qui en résulte dans le pot de détente et de mélange permet d'emprisonner les bulles d'air dans le floc au moment même de leur formation.
On peut signaler au passage plusieurs tentatives de combinaison entre la flottation à microbulles et le moussage avec utilisation d'un agent surfactant (16) (17) (18) (19) (20), éventuellement associé à l'éthanol pour réduire la taille des bulles (20), mais les doses de réactifs à mettre en œuvre étaient élevées et, de toute façon, ces procédés se seraient heurtés aux réglementations nationales et internationales pour leur utilisation en eau potable.
Enfin, une dernière variante consiste en une saturation en air à la pression atmosphérique suivie d'une flottation sous vide (3), mais elle a connu peu de développement jusqu'à présent ;
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b) l'électroflottation, dans laquelle on réalise une électrolyse de l'eau, qui produit un dégagement gazeux constitué d'hydrogène et d'oxygène ; la finesse des bulles dépendra de la tension et de l'intensité appliquées, ainsi que de la forme et de la nature des électrodes (21) (22). Ce procédé s'est développé dans les années 1960 selon deux systèmes (électroflottation à contre-courant ou à co-courant) qui ont été décrits dans de précédentes publications (8) (21), en particulier dans cette même revue (22).
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DOMAINES D'APPLICATION DES DIVERSES MODALITÉS DE LA FLOTTATION
Dans l'industrie minière, c'est essentiellement la flottation mécanique à air dispersé qui est mise en œuvre, avec conditionnement préliminaire destiné à rendre hydrophobes les particules à flotter.
Dans le domaine du traitement des eaux, c'est la flottation à air dissous avec floculation préalable et, en général, pressurisation indirecte qui a connu de loin le plus grand développement ; cependant, la pressurisation directe de l'eau brute est parfois utilisée pour les liquides très chargés, par exemple dans certains cas de traitement des boues. En outre, sont également appliqués pour des cas particuliers :
- — la flottation naturelle pour le dégraissage des effluents urbains ou le prédessuilage des eaux de raffineries et de laminoirs ;
- — la flottation mécanique pour le déshuilage grossier des eaux de formation dans l'industrie pétrolière, l'élimination d'élastomères ou de latex, etc. Elle a aussi été proposée pour la production d'eau potable, avec utilisation d'un surfactant (23), mais sans suite ; d'une façon générale, elle n'est pas concevable pour l'ensemble des traitements comportant une coagulation-floculation, car elle briserait inéluctablement le floc ;
— l’électroflottation (surtout dans les petites installations) ; mais ce procédé connaît un certain nombre de limitations : nécessité d'une présence suffisante de sels dissous dans l'eau, pour lui assurer la conductivité électrique nécessaire, vitesse limitée pour ne pas entraîner les bulles (dans le type à contre-courant), coûts d'investissement et de fonctionnement élevés (100 à 500 Wh/m³ traité, contre 40 à 80 Wh/m³ dans la flottation à air dissous), difficultés d’entretien des électrodes. Il peut par contre présenter parfois des effets secondaires intéressants, comme la production d’acide hypochloreux à effet désinfectant à partir d'une eau riche en chlorures (24), ou encore la génération d'un coagulant in situ par dissolution anodique d'une électrode en fer ou en aluminium (22).
Nous nous limiterons donc maintenant aux développements de la flottation à air dissous dans le traitement des eaux.
II. CARACTÉRISTIQUES TECHNOLOGIQUES DE LA FLOTTATION À AIR DISSOUS
PRINCIPES DE BASE
Ils ont déjà été exposés dans de nombreuses publications (8) (12) (14) (15) (20) (22) (25), et nous nous contenterons donc de les rappeler brièvement ici.
Les lois gouvernant la séparation des phases en flottation sont les mêmes que celles de la décantation ; la plus simple pouvant être utilisée, bien que ne représentant qu'une approximation assez grossière de la réalité, est la loi de Stokes, valable si le régime de l'écoulement des particules est laminaire. On peut écrire cette loi de façon simplifiée :
V = K d² (p₁ – p)
où : V = vitesse d’écoulement de la particule, du floc ou de l’agrégat par rapport à l'eau ; d = diamètre moyen de la particule ; p₁ = masse volumique de la particule ; p = masse volumique du liquide.
En décantation, sauf apport de masse étrangère (argile, CaCO₃, etc.), la différence des masses volumiques est une donnée qui dépend essentiellement de la nature des particules à séparer (on peut néanmoins arriver à constituer un floc plus ou moins « grenu ») et c'est surtout le paramètre d qui pourra être influencé par la qualité de la floculation préalable. En flottation, au contraire, nous pouvons jouer sur les deux paramètres :
— diamètre des particules, de la même façon qu’en décantation : apport de produits coagulants et floculants, modification du temps de floculation, etc. ;
— différence de densité : en effet, celle-ci dépend toujours de la nature de la particule à séparer, mais il est possible d’incorporer une certaine quantité d’air à cette particule ou au floc formé, de façon à provoquer une diminution de la masse volumique apparente de l'agglomérat ainsi constitué : lorsque cette masse volumique devient inférieure à celle de l'eau (ou, plus généralement, du liquide interstitiel), la vitesse change de signe et l'agglomérat monte au lieu de sédimenter (phénomène de flottation).
Si le rapport existant entre le volume d’air et le volume de floc atteint une valeur suffisante, on peut alors obtenir une vitesse ascensionnelle de l’attelage « air-floc » beaucoup plus élevée que la vitesse de sédimentation du floc seul ; dans ce cas, la séparation est donc plus rapide et on peut réaliser sur le volume des bassins un gain dont le montant dépasse le coût des équipements nécessaires à la production des bulles ; si en outre la flottation permet de réaliser une économie sur les réactifs et/ou le traitement des boues produites, le procédé est plus rentable à tous points de vue que la décantation conventionnelle (malgré une dépense d'énergie supérieure) : mais il faudra souvent effectuer des essais préliminaires pour faire cette comparaison.
Quatre facteurs principaux régissent la valeur du rapport volume d'air/volume du floc :
— l'affinité de la surface pour les bulles ;
— l'efficacité du mélange bulles-floc ;
— la taille des bulles, qui doit être comprise entre 20 et 80 µm : les bulles plus grosses voient leur probabilité d'accrochage décroître et créent en outre des conditions d’écoulement turbulent, préjudiciables à une bonne tenue du floc. Nos études ont fait ressortir une pression optimale de 5 bars pour l’obtention de bulles suffisamment fines, comme on peut le voir en comparant les figures 2 et 3 ;
— le nombre de bulles, qui sera régi à la fois par la quantité d'eau pressurisée et par la pression.
appliquée suivant la loi de Henry :
C = kP avec C = concentration du gaz en solution, k = constante de Henry, P = pression absolue ;
le premier de ces facteurs dépend de la nature de l'eau brute et du traitement appliqué ; les trois autres sont fonction de la technologie adoptée, point qui sera développé ci-dessous.
Nous poserons aussi comme autre principe de base que, dans le plus grand nombre de cas, l’étape de flottation doit être précédée d’un stade de coagulation-floculation, car en général le flottateur ne permettra de séparer de l’eau que des particules (6) (8) (14) (25).
Une flottation directe à l’air dissous, sans réactifs autres que ceux permettant de modifier éventuellement les conditions de tension superficielle ou de pH, est néanmoins utilisable dans certains cas particuliers de récupération de fibres, de dégraissage d’eaux résiduaires d’huileries et savonneries, de déshuilage d’eaux résiduaires de raffineries ou d’épaississement de boues activées.
ASPECTS TECHNOLOGIQUESDE MISE EN ŒUVRE
La figure 4 schématise la disposition-type d’un flottateur à air dissous et de ses annexes, dans la forme la plus courante (pressurisation indirecte d’une fraction recyclée de l’eau traitée) sous laquelle cette technique a été commercialisée par notre Société.
En général, trois organes sont déterminants pour les performances d’un flottateur et ce sont eux qui expliquent les différences constatées d’un appareil à l’autre :
a) L’organe de pressurisation et de détente
Ce circuit annexe est alimenté à partir de l’eau traitée (eau flottée ou filtrée) par une pompe de recirculation dont le débit représente un certain pourcentage du débit d’eau brute ; ce pourcentage est avant tout fonction de la quantité de MES à éliminer et pourra donc être très variable suivant le type d’eau ou de boue à traiter par flottation : les fourchettes de variations les plus courantes pour chaque domaine sont récapitulées dans le tableau n° 1.
La pompe de recirculation envoie l’eau recyclée dans un ballon de pressurisation qui est également alimenté par de l’air sous pression. L’eau se charge d’air dissous à une pression comprise entre 3 et 6 bars (5 bars le plus souvent) pendant 2 à 4 minutes ; le rendement de dissolution est en général compris entre 60 et 90 %, et la concentration d’air utilisable entre 50 et 90 mg/l.
L’eau ainsi saturée d’air sous pression est ensuite dirigée vers l’organe de détente contrôlée qui doit être particulièrement étudié pour éviter la formation de grosses bulles. Nous avons fait breveter un système de détente en deux étages, permettant d’obtenir 100 % de fines bulles tant que la température est inférieure à 35 °C.
D’autres gaz que l’air ont été proposés pour la saturation de l’eau recyclée, en particulier dans le domaine des eaux résiduaires : gaz de digestion après combustion, gaz sortant d’un réacteur à l’oxygène pur (26) ; les résultats paraissent intéressants sur le plan économique, mais ces variantes n’en sont encore qu’au stade de l’étude en laboratoire.
b) L’organe de mélange entre floc et eau détendue
De cet organe dépend l’efficacité de l’accrochage bulle-floc et, par conséquent, la qualité de l’effluent à la sortie du flottateur pour un pourcentage de recirculation donné.
Dans l’appareil de forme circulaire présenté sur la figure 4, la solution adoptée est un pot de mélange central comportant une injection verticale de l’eau floculée et une injection tangentielle de l’eau pressurisée en un ou deux points.
Il est en outre également possible d’influencer l’accrochage bulle-floc en utilisant un adjuvant capable de modifier l’état de surface du floc et le caractère aérophile ou aérophobe du floc.
c) L’organe de raclage
Cet organe doit permettre :
— une accumulation aussi forte que possible de la boue en surface (l’épaisseur de ce lit de boues peut atteindre 1 m en flottation de boues activées) ;
— la possibilité de racler les boues avant qu’une fraction importante de l’air inclus n’ait le temps de s’échapper.
Ces deux contraintes sont contradictoires et le compromis à trouver dépend en grande partie de l’application envisagée ; la liaison air-floc est, en effet, plus ou moins solide suivant que, d’une part, l’air a tendance à être intégré à l’intérieur des flocs ou à leur superficie et que, d’autre part, la surface est plus ou moins hydrophobe.
Dans la pratique, nos flottateurs comportent des systèmes de raclage des écumes adaptés à chaque type de boues, en jouant sur les paramètres suivants : vitesse, nombre de pales, nombre de goulottes de reprise des écumes.
PRINCIPAUX TYPES D’APPAREILS
Les flottateurs sont en général conçus pour fonctionner à une vitesse comprise entre 3 et 8 m/h (recirculation non comprise) dans la zone de séparation eau-boues, suivant le type de traitement ; pour l’épaississement des boues activées, cette vitesse n’est que de 1 à 2 m/h environ ; elle peut par contre atteindre ou dépasser 10 m/h dans certains cas favorables.
Les domaines d’application de la décantation et de la flottation ne sont pas toujours nettement délimités : la même eau brute peut comporter simultanément des matières décantables et des matières flottables ; c’est pourquoi certains modèles de flottateurs doivent comporter un double raclage, de fond et de surface.
Nous avons développé une gamme de flottateurs couvrant l’ensemble des applications possibles :
— appareils circulaires, dont les différents modèles diffèrent par leur construction (en acier ou en béton), le mode d’évacuation des boues et son système d’entraînement (central ou périphérique), la reprise de l’eau flottée (cloison siphoïde ou collecteur de reprise), etc. Deux d’entre eux sont schématisés sur les figures 5 (sans raclage de fond) et 6 (avec raclage de fond) ;
— appareils rectangulaires, convenant particulièrement aux cas suivants : débit élevé, place limitée, faible taux de recirculation, traitement des eaux naturelles à usage potable ou industriel, car on peut alors réaliser un ensemble compact floculateur-flottateur-filtres.
L’évacuation des boues de surface peut être effectuée par racleur à chaîne, par pont mobile ou plus rarement par simple débordement.
La figure 7 donne la disposition d’un ensemble floculateur + flottateur rectangulaire. Le mélange eau floculée + eau pressurisée peut être réalisé dans plusieurs diffuseurs alignés, fonctionnant en parallèle. Enfin, la figure 8 donne une idée des solutions que l’on peut adopter pour réaliser simultanément un raclage des écumes de surface et des boues de fond (pont ou chaîne).
ETUDE D’UN PROBLÈME AVANT REMISE D’UN PROJET
Afin de prévoir les caractéristiques d’une installation de traitement par flottation, il importe d’effectuer au moins une étude d’eau en laboratoire. Cette étude permet de vérifier la traitabilité de l’eau brute par flottation et de détermi-
Déterminer la nature et les taux de traitement des réactifs à mettre en œuvre (27) (28) (29).
On utilisera à cet effet un appareil spécialement conçu : le Flottatest (figure 9), qui fonctionne selon le même principe que l'appareil destiné aux essais de floculation. Trois béchers sont disposés en parallèle et permettent de tester différents taux de traitement. Après introduction des réactifs et floculation pendant un temps bien déterminé, on arrête les pales d’agitation et on introduit à la base des béchers (qui ont une forme tronconique) une certaine quantité d'eau pressurisée : le floc est ainsi ramené à la surface du bécher par l’air dissous libéré au moment de la détente, et on peut effectuer toutes les mesures souhaitables sur l'eau clarifiée.
Cet appareil permet également de déterminer la quantité d'eau pressurisée à employer pour obtenir une bonne séparation du floc, dont le pourcentage de recirculation à prévoir sur l'installation industrielle. Il peut aussi être utilisé en exploitation pour vérifier les paramètres du traitement.
Néanmoins, la portée de ces essais statiques de laboratoire est évidemment limitée (30) : en particulier, ils pourraient conduire à adopter des vitesses de séparation [eau traitée-boue flottée] supérieures aux valeurs industrielles admissibles (29) (31) (32), tout en faisant apparaître une influence de la pression de saturation plus importante que dans la pratique (30) ; de même, en épaississement des boues, ils ne peuvent donner une bonne idée de la concentration finale, laquelle dépendra surtout de la charge massique de l'appareil et de la hauteur des écumes (30).
Par conséquent, pour fixer tous les paramètres d'un projet, pour étudier des cas difficiles, ou pour prévoir avec plus de précision les performances d'une future installation, il faut faire des essais préliminaires sur installation pilote (5) (6) (9) (11) (33) (34) :
- soit sur un équipement portatif pouvant être installé en laboratoire ou sur le site et déjà capable de traiter un débit de 300 à 500 l/h ;
- soit sur des pilotes de taille semi-industrielle, conçus pour des débits pouvant aller de 3 à 10 m³/h ; ces pilotes peuvent être montés sur châssis pour être facilement déplacés et mis en œuvre, et représentent déjà des unités de traitement utilisables par des collectivités ou des usines de petite taille.
(à suivre)
N.D.L.R. —
- La suite de cet article : « III ‑ Champ d'application de la flottation à air dissous dans le traitement des eaux — Exemples d'application », paraîtra dans notre numéro spécial d’octobre consacré au thème : « Épuration — Assainissement — Nuisances ».
- Les références bibliographiques signalées dans ce texte seront communiquées par l'auteur aux personnes intéressées.
