Spidflow® : la flottation à grande vitesse en eau potable

La flottation à air dissous est un procédé de clarification répandu dans le traitement des eaux potables. En effet, certains composants des eaux brutes peuvent être facilement éliminables par flottation. On citera notamment les matières organiques comme les algues [1] et [2] ou acides humiques, les huiles et les graisses. La flottation est également très efficace dans le cas d’eaux peu chargées en matières minérales. La flottation à air dissous consiste à dissoudre sous pression une grande quantité d’air dans un débit recirculé. Un système de détente génère des microbulles qui, en s'attachant aux flocs préalablement formés par des étapes de coagulation et floculation, vont en réduire la densité pour les faire remonter en surface où ils seront éliminés.

Les premières réalisations industrielles utilisant ce procédé datent des années 1960 [3]. Depuis, une amélioration continue a été entreprise par l'ensemble des acteurs de ce marché. Les temps de coagulation, de floculation ont été réduits ; le système de production d’eau blanche optimisé pour parvenir à des microbulles de taille calibrée. La conception des cuves de flottation a également été améliorée, afin d’augmenter la charge hydraulique sans réduire les performances du procédé.

Au début des années 2000, Veolia Eau a optimisé son procédé classique de flottation en développant le procédé Spidflow® qui est aujourd’hui une solution compétitive de flottation à grande vitesse pour la clarification des eaux potables.

Présentation du procédé Spidflow®

En décembre 2010, la filière de prétraitement des eaux de mer conçue et réalisée par Veolia Water Solutions & Technologies à Ajman (Émirats Arabes Unis), composée de flottateurs Spidflow®, a reçu la récompense de « Best Water Project » lors des « H2O Water Awards 2010 » organisées par H2O Middle East [4]. Après deux premières réalisations en France et aux Émirats Arabes Unis, cette récompense reconnaît le savoir-faire de Veolia Eau et le franchis-

constitue une étape dans le développement de cette technologie.

Principe

Le procédé Spidflow® est présenté en figure 1 ; il est composé des étapes suivantes :

• - Une coagulation classique en ligne ou dans une cuve agitée. Les paramètres de cette étape sont imposés par le choix des réactifs et les caractéristiques de la ressource.
• - Une floculation conventionnelle ou assistée par un Turbomix®. L'objectif de cette étape est de produire des flocs suffisamment solides pour permettre leur futur attelage avec des microbulles afin de les faire flotter dans l’étape suivante. Les temps de séjour et l’énergie mis en jeu peuvent ainsi être réduits comparativement aux procédés de décantation où un floc dense doit être produit. L'ajout d’un floculant n’est pas systématiquement nécessaire.
• - Une flottation décomposée en deux étapes : l'eau « blanche » est injectée dans une première cuve et la séparation liquide-solides s'effectue dans une seconde cuve.
  • ✓ Les microbulles sont produites par la détente subite d'un mélange d'eau et d’air sous pression entre 5 et 6 bars relatifs produit dans un ballon de pressurisation. Grâce à des diffuseurs spécifiques, la pression est subitement réduite, permettant la formation de microbulles calibrées. Celles-ci sont introduites au-dessus d’un plancher, breveté, de répartition du flux d'eau floculée. Cela permet le contact intime entre flocs et microbulles afin d’obtenir une séparation efficace dans la cuve suivante. Le pourcentage de recirculation est compris entre 8 et 15 % en fonction de la ressource à traiter et ce, pour atteindre un rapport air/solides optimum.
  • ✓ La séparation liquide-solides est effectuée dans la dernière cuve de l'ouvrage. L'eau clarifiée est collectée en fond par l'intermédiaire de tuyaux perforés, les boues flottées en surface sont raclées mécaniquement vers une goulotte d’évacuation. Un dispositif breveté de chicanes permet une répartition optimale des flux dans cette cuve de séparation. La charge hydraulique généralement acceptée par le Spidflow® est de 30 m/h mais peut atteindre 50 m/h selon la nature des eaux à traiter.

Performances et avantages

Dépendant de la ressource à traiter et du respect des bonnes pratiques d’opération des équipements, le Spidflow® permet d’atteindre des performances de traitement de l’ordre de :

• - Plus de 99 % des algues, et tout particulièrement lors des phénomènes de blooms algaux, aussi appelés marées rouges en eau de mer.
• - Jusqu’à 80 % de la matière organique.
• - Plus de 90 % des huiles et hydrocarbures, faisant de Spidflow® une excellente protection pour des installations dont la localisation est sensible à des rejets pétrochimiques intempestifs (dégazages et délestages sauvages).
• - Concentration de boues flottées jusqu’à 30 g/L pour réduire l’étape de déshydratation ou le poste de post-traitement.
• - Polymère : uniquement en cas de bloom algal pour les eaux de mer, et usage restreint à certains cas difficiles d’eau de surface. Cela permet de répondre aux législations de plus en plus contraignantes, ainsi qu’aux exigences des fournisseurs de membranes de filtration.
• - Couplage possible avec charbon actif en poudre afin de mieux combattre les pollutions aux pesticides et autres micropolluants tout en améliorant l'abattement en matières organiques.

L'ensemble de ces éléments a été obtenu après plusieurs années de recherche par des études pilotes menées sur différents types d’eau de surface ainsi qu’en eau de mer. Ils ont ensuite été confirmés par les premiers retours d’exploitation des deux premières usines utilisant ce procédé : l’usine de Fujairah 2 pour le dessalement d’eau de mer dans les Émirats Arabes Unis

et celle de Toulon La Valette en France.

Études pilotes

Premiers développements en eau de surface

La première étude a été menée dans la région de Biscarosse à partir de 2005. L'équipement utilisé pour cela est illustré en figure 3. Les objectifs de ces tests étaient d’évaluer les limites du procédé sur une ressource de bonne qualité.

L'eau brute (eau de l’étang de Cazaux) a présenté une turbidité maximale de 2 NTU durant la période d’essai ; mais des concentrations en carbone organique total (COT) et en algues assez importantes : respectivement 6 mg/L de COT en moyenne et jusqu’à 41 000 cellules/mL.

En utilisant un sulfate d’alumine comme coagulant, les performances obtenues ont montré des abattements moyens de 35 % pour le COT et 99,7 % pour les algues. Compte tenu de cette qualité d’eau propice à la flottation, ces qualités de traitement ont été atteintes et maintenues pour des charges hydrauliques poussées jusqu’à 50 m/h.

Le pilote a ensuite été déplacé fin 2006 en Bretagne pour le confronter à une eau plus complexe, particulièrement chargée en matières organiques et en couleur. Le tableau 1 récapitule cette qualité sur la durée totale de l'étude.

Tableau 1 : Caractéristiques de l’eau brute – Campagne d’essais en Bretagne

Les abattements obtenus ont été plus que conformes aux attentes :

• Abattement de la matière organique compris entre 30 et 80 %, amélioré grâce à l’adjonction de charbon actif en poudre, bien éliminé par flottation.
• Abattement algal supérieur à 99 % comme l'atteste la figure 4.

Spidflow® a aussi été couplé à des filtres à grande vitesse. Différents types de média mono ou bicouches ont été évalués (sable, anthracite et pierre ponce). La qualité de l'eau flottée puis filtrée s'est révélée excellente et surtout constante au cours du cycle de filtration. La flottation n’a absolument pas perturbé le fonctionnement des filtres. La crainte d'une embolie gazeuse des filtres s'est révélée infondée.

Il convient néanmoins de préciser que pour ce type d’eau bretonne très spécifique, des traitements complémentaires et plus poussés sont nécessaires afin de garantir les normes en termes de matières organiques. Une filière type pourrait par exemple être composée d'un flottateur Spidflow®, suivi d'un Actiflo™ Carb pour l’affinage de la matière organique.

Utilisation en eau de mer

Comme indiqué précédemment, la flottation est tout à fait indiquée pour combattre les pollutions algales. C’est ce qui a été fait en 2008 dans le cadre de la construction de l'usine de dessalement d'eau de mer par osmose inverse de Fujairah 2 (côté Est des Émirats Arabes Unis).

Cette année 2008 a vu sévir la plus importante marée rouge jamais enregistrée dans la région [5]. Le Golfe d’Oman et le Golfe Persique ont été touchés. Ces phénomènes de marées rouges sont caractérisés par d'importantes et rapides variations de la quantité d’algues présentes dans l’eau de mer : des taches sombres sont visibles à la surface et se déplacent au gré des courants. Des usines de dessalement utilisant le procédé d’osmose inverse ont dû être stoppées faute d’une étape de prétraitement suffisamment performante pour contrer ces phénomènes. La qualité de l’eau était tellement dégradée que le Silt Density Index (SDI, mesure du pouvoir colmatant de l'eau, paramètre de référence pour l’osmose inverse) était impossible à déterminer.

En revanche, le pilote Spidflow®, combiné à un filtre gravitaire sable et pierre ponce, a démontré sa robustesse pour y faire face. Les paramètres jugés étaient le SDI₅ de l’eau filtrée et les temps de cycle de filtration. Le graphique de la figure 5 présente la qualité de l'eau après ces flottation et filtration. Après une période d’adaptation du procédé (choix et dosages de réactifs uniquement, pas de diminution des charges hydrauliques sur le flottateur comme sur le filtre) à cette nouvelle qualité d’eau brute, l’eau prétraitée a retrouvé une qualité similaire à celle obtenue lors de périodes non algales. Le SDI₅ moyen durant les périodes non algales était de 3,2 % min alors qu'il était de 3,0 durant les périodes algales. Ce léger gain est dû à la dose plus conséquente de coagulant nécessaire pour faire s’agglomérer l’ensemble des algues. Le second paramètre jugé – durée de cycle de filtration – a été réduit afin de s’assurer de cette constante qualité. Ainsi, le temps moyen des cycles a été réduit de 42 à 33,7 heures. Grâce au maintien de la qualité et d’une quantité suffisante de l’eau prétraitée, si la filière pilote avait été complétée jusqu’à l’osmose inverse, la production d’eau potable n’aurait pas été stoppée grâce à l’utilisation de Spidflow® dans la filière de prétraitement.

Premières réalisations

Toulon La Valette (Var)

Présentation

La première usine en opération mettant en œuvre à l’échelle industrielle le procédé Spidflow® a été l'usine de production d’eau potable de Toulon La Valette.

Pour réhabiliter l'usine et remplacer les anciens décanteurs, des flottateurs ont été construits afin de répondre à ces problématiques :

- Modification de la ressource en privilégiant la ressource peu chère du Lac de Carcés de qualité moindre par rapport au Canal de Provence, même en cas d'une qualité très réduite. Les caractéristiques de cette ressource sont :

– Turbidité – Développement algal – Carbone Organique Total (COT) – Pesticides

- Maintien de la qualité des eaux traitées.

- Réduction des pertes en eau et mise en conformité réglementaire des rejets.

Ainsi, la nouvelle filière de traitement des eaux, dont le débit nominal est de 2 880 m³/h est la suivante :

- Pré-ozonation- Coagulation/floculation avec CAP possible- Flottation- Filtration granulaire (existant conservé)- Désinfection UV puis injection de chlore gazeux.

Réalisée en 9 mois, la réhabilitation de cette usine et sa mise en route au second trimestre 2010 ont permis d’atteindre les pompes de recirculation.

Tableau 2 : Performances de clarification des Spidflow® pour la période juillet 2010 à février 2011

Les résultats sont illustrés des figure 8 à figure 10 ainsi que par le tableau 2. Les premières valeurs sont celles enregistrées lors de la fin de la période de mise en route de l'usine.

La première remarque concerne la qualité de l’eau brute qui correspond bien à la plage des meilleures performances de la flottation en général et du Spidflow® en particulier. Sur cette période, la turbidité moyenne a été mesurée à 11 NTU. Deux pics de forte turbidité ont été mesurés : jusqu’à 65 NTU, le plus fort autour du 10 septembre 2010. En termes de matière organique, l’eau brute est relativement peu chargée. Deux valeurs seulement ont été mesurées au-delà de la norme de mise en distribution (5 mg O₂/L). La valeur moyenne s’élève à 1,8 mg O₂/L.

Après flottation, la qualité de l’eau clarifiée s’est révélée conforme aux attentes. Les résultats des études pilotes présentés au tableau sont illustrés dans les figures 8 à 10 et les objectifs énoncés dans le précédent paragraphe.

Les photos des figures 6 et 7 présentent l’usine. La première est une vue en hauteur des quatre flottateurs. Ceux-ci sont dos à dos avec une arrivée de l’eau coagulée par le centre. L’eau est ensuite répartie vers les quatre flottateurs dont l’arrière des ouvrages est visible sur la seconde.

Résultats d’exploitation

Les résultats des premiers mois d’exploitation sont illustrés des figures 8 à figure 10.

Les paragraphes précédents ont été confirmés par cette première réalisation industrielle. On note sur la figure 8 une turbidité d’eau flottée assez stable autour de 2 NTU. L’abattement moyen de turbidité constaté est très proche de 80 %. Cette réduction se retrouve également en termes de couleur (figure 9). Concernant l’élimination de la matière organique, la valeur maximale mesurée sur l’eau flottée n’a jamais dépassé les 3,3 mg O₂/L. Cette valeur a été atteinte lors du pic à 6,6 mg O₂/L en eau brute ; ce qui correspond à une réduction de 50 % du contenu organique. L’abattement moyen est proche de cette valeur à 43 %.

Le tableau 2 récapitule l’ensemble de ces chiffres. Les valeurs médianes, les 5ᵉ et 95ᵉ centiles sont également indiquées afin de montrer la répartition des valeurs de la qualité des eaux brutes et flottées. Après huit mois de fonctionnement, les performances atteintes par les flottateurs Spidflow® sont bien en accord avec les attentes qui avaient été fixées lors de la rédaction du cahier des charges de la rénovation de cette usine.

Fujairah (Émirats Arabes Unis)

Présentation

Concomitamment à l’étude pilote, déjà évoquée dans le paragraphe I.D, la construction de l'usine de production d’eau potable par osmose inverse de Fujairah 2 était en cours. Située sur le Golfe d’Oman, cette usine a une capacité de 30 millions de gallons par jour soit 369 000 m³ par jour. La particularité de cette usine réside dans son étape avancée de prétraitement afin de faire face au développement algal, comme cela est régulièrement le cas dans cette région du globe.

Avant l'étape d’osmose inverse, la filière de prétraitement de cette usine est composée des éléments suivants :

• une prise d’eau en pleine mer et son système de dégrillage ;
• 16 flottateurs Spidflow® pour un débit nominal de 14 500 m³/h ;
• 12 filtres gravitaires bicouche.

La figure 11 est une image du bâtiment des flottateurs.

Résultats d'exploitation

Fin 2010, l'usine était en fin de mise en route. Durant cette étape, aucune occurrence de marée rouge n’a été rencontrée. L’usine a été réceptionnée par l’exploitant, Veolia Eau, fin octobre 2010. Début mars 2011, le golfe d’Oman a été sujet à un épisode algal d’une intensité faible à modérée. Les flottateurs Spidflow® ont montré leur efficacité en permettant la continuité de la production d’eau osmosée, sans détérioration de sa qualité, ni de sa quantité. [6]

Conclusion

Les années 2000 ont vu le développement de la solution de flottation à grande vitesse pour la clarification des eaux potables par Veolia Eau.

Le Spidflow® est cette solution. Les premières réalisations ont été consacrées à des études pilotes, afin de confirmer les choix technologiques faits pour ce procédé.

Ces essais se sont rapidement montrés très concluants, ce qui a incité Veolia Water Solutions & Technologies à répondre aux appels d’offres avec ce procédé.

En 2008, la première usine en construction a été Fujairah 2 pour la production de 136 400 m³ d’eau potable par jour à partir d’eau de mer. Puis, l’usine de Toulon La Valette a été construite et mise en route en France, avec les résultats précédemment détaillés.

Depuis ces deux premières véritables réalisations, d'autres usines sont en cours de construction.

On citera notamment une usine en prévention des risques liés aux hydrocarbures pour RWE à Eemshaven aux Pays-Bas ; deux usines en prétraitement pour osmose inverse à Ajman dans les Émirats Arabes Unis, et l’usine de Kermorvan en Bretagne. De plus, Veolia Water Solutions & Technologies continue le développement de ce procédé de flottation à air dissous afin d’en réduire les coûts de construction et d’exploitation.

À ce titre, Veolia Water Solutions & Technologies propose ses dernières améliorations lors de ses réponses à appels d’offres. [1]

Références bibliographiques

[1] A. Gaid (2010), Overcoming Red Tide, H2O Middle East, May edition, 26 - 28. [2] H2O Middle East (2010), May edition, Bloom buster, p. 30 - 34. [3] J. K. Edzwald, (2010), Dissolved air flotation and me, Water Research 44, p. 2077 - 2016. [4] H2O Middle East (2010), December edition, p. 28 - 29. [5] Gulf News, 11/18/08. [6] Water Desalination Report (2011), Volume 47, Number 10, p. 2.