Procédé hybride : hydrocyclone, coagulation, floculation et flottationpour le traitement de l'eau, Hybrid process : hydrocyclone, coagulation, floculation and flotation for water treatment process

THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par INSA Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie des Procédés et de l'Environnement


Présentée et soutenue par Vorasiri SIANGSANUN
Le 21 Avril 2010

Titre : New Hybrid Process: Hydrocyclone, Coagulation, Floculation and Flotation for water
treatment process

JURY

Alain Grasmick : Professeur, USTL Montpellier (France)
Sutha Khaodhair : Associate Professeur,Chulalongkorn University (Thaïlande)
Srayut Rachu : Ingénieur, PhD,Progress Technology consultant (Thaïlande)
Gilles Hébrard : Professeur, INSA Toulouse (France)
Christelle Guigui : Maître de Conférence, INSA Toulouse (France)
Chaiyaporn Puprasert : Assistant Professor, Chulalongkorn University (Thaïlande)

Ecole doctorale : Ecole doctorale MEGEP
Unité de recherche : LISBP
Directeur(s) de Thèse : Gilles Hébrard et Chaiyaporn Puprasert
Rapporteurs : Alain Grasmick et Sutha Khaodhair


HYBRID PROCESS: HYDROCYCLONE, COAGULATION
FLOCCULATION AND FLOTATION IN WATER
TREATMENT PROCESS







Miss Vorasiri Siangsanun













ABSTRACT
The aim of this study is to develop a hybrid process which combines with
coagulation, flocculation and flotation process in a hydroclone for water treatment
process. The development is for characterization the hydrodynamics of this process and
to find the optimum condition for water treatment process.
The hydrodynamics characterization study is carried out by the numerical
simulation (Computational Fluid Dynamics) and experimental work by Doppler
ultrasound velocimetry technique to study the hydrodynamics for the further research.
The results are used for validating the oil droplet experimental technique and to be the
basis knowledge to explain the phenomena in the hybrid process. Laser diffraction
technique is involved for determining the micro bubbles size and also study on the
parameter affects to the size.
The experimental work of a developed hybrid pilot plant is studied with synthesis
raw water and natural river water. The objective of this study is to apply this hybrid
process for the water treatment. The parameters have been varied in many operating
conditions to indicate the separation and the water treatment phenomena such as raw
water characteristic, coagulant - flocculant type and concentration, air fraction and inlet
flow rate.


ABSTRACT
L'objectif de cette étude est de développer un procédé hybride qui combine à la
coagulation, la floculation et le procédé de flottation dans un hydroclone pour réaliser le
traitement de l'eau. Le développement sert à déterminer la caractérisation
hydrodynamique ainsi que les conditions optimales pour réaliser le traitement de l'eau.
L'étude de caractérisation hydrodynamique est réalisée à l’aide d’une simulation
numérique (Computational Fluid Dynamics). Le travail expérimental a été réalisé à l’aide
de la technique dite de l'échographie Doppler afin d’étudier l'hydrodynamique. Les
résultats ont servi à valider la technique expérimentale « méthode de la goutte d’huile » et
les connaissances de base expliquant les phénomènes du procédé hybride. La technique
de diffraction du laser est utilisée pour déterminer la taille des micro-bulles ainsi que les
paramètres qui affectent leur taille.
Le travail expérimental sur le développement d'un pilot hybride est étudié avec de
l'eau synthèse et de l'eau naturelle. L'objectif de cette étude est d'appliquer ce procédé
hybride pour le traitement de l'eau. Différents paramètres tels que les caractéristiques de
l'eau brute, le type et la concentration de coagulant et de floculant, la fraction de l'air et le
débit d'entrée, ont été modifiés à plusieurs reprises afin d'en déterminer les effets sur le
procédé hybride.
ii
ACKNOWLEDGEMENTS
The author would like to express sincere gratitude and deep appreciation to my
advisors Dr.Chaiyaporn Puprasert, Prof.Gilles Hébrard and Asist.Prof.Christelle Guigui
for their invaluable guidance and kindhearted supervision throughout the research. In
addition, I would like to thank for their supervision and kindly support in the academics
and my stay in France. This research is supported by the Franco-Thai Collaboration
research project. The author gratefully acknowledges the additional financial support
from VEOLIA WATER Company.
I would like to thank also for, Professor Alain Grasmick, professor of USTL de
Montpellier II and Associate professor Dr. Sutha Khaodhair for the acceptation of the
examiners. Professor Yves AURELLE, professor of INSA de Toulouse, for the
acceptation of the chairman for this thesis. Dr. Srayut RACHU, from PROGRESS
TECHNOLOGY CONSULTANT, Bangkok for the acceptation of the examiner of this
thesis
Monsieur Philippe Marteille and Madame Céline Levecq, the research and
development engineer from VEOLIA WATER for giving me a chance to work at Annet
sur Marne and helping me for my stay. Thanks to Anne-Cécile for her kindness for
helping me solve the technical problem.
Furthermore, thanks are due to INSA de Toulouse Department GPE laboratory for
the raw material and instruments supports. Many thanks for Louis LOPEZ and all
technicians in INSA laboratory for the encouragement and gave many help for setting up
the pilot plant for this research.
Many thanks for kind suggestions and useful help to everyone who spent their
valuable time encouraging me until I finished my work. Great thanks to Jérôme
Morchain, Damien, Charlotte and Zhujun for FLUENT, Vincent Fontannaz for Cluster,
Sebastien for being a Doppler professional, TP-IR students for their works. Pascal and
Anne, Matthieu and Anne-Claire to give me the family feeling, Christmas and wedding
invitation, Romuald, Samuel, JP, Benoit for sport activities, and everyone in GPE
laboratory INSA Toulouse and Chulalongkorn University Thailand, for their discussion
and friendly encouragement. I feel so fortunate having a chance to work here.
Thanks to Romain, Benjamin and Sarah for all the instrument and information
helping in Anjour de Recherche in Annet-sur-Marne, thank also all the activities in Paris.
Thank to Aderito for the Navette. Thanks to all my Thai friends, P O, Chat, Prae, Mint,
Chin, Eak, Tan, Chol and Vee, Boyd, Bomb, Aye, Pae, Poom, Kla, Sing, Meaw, View, P
Ae for their humor and being as a family during my stay.
Finally, I would like to thank my family who always give their unconditional love,
selflessness, being supportive, understanding and generous encouragement during my
studies.
iii
RESUME DE LA THESE
L’hydrocyclone est un appareil utilisé pour séparer deux phases sous l’effet d’un
écoulement tourbillonnaire générant une accélération centrifuge, avec pour exemple la
séparation de particules solides dans un fluide. Les avantages de l'hydrocyclone résident
dans sa facilité d'entretien et d'exploitation. C'est donc une solution économique qui
utilise en outre un espace réduit.
Les systèmes conventionnels de traitement de l’eau sont composés d'une unité
principale, puis des étapes de coagulation et floculation. Ces systèmes agrègent les
matières en suspension sous forme de flocs qui seront ensuite séparés de l’eau claire. Les
méthodes de séparation telles que la décantation/sédimentation ou de flottation du floc
ainsi que les techniques de filtration permettent d'éliminer la turbidité dans l’eau. La
désinfection au chlore ou à l’ozone est ensuite proposée pour éliminer les microbes. Pour
diminuer la turbidité de l’eau, les procédés traditionnels utilisent plusieurs installations de
tailles conséquentes.
Dans le domaine de l’ingénierie de l’environnement, l’hydrocyclone n’est pas
encore largement utilisé. Dans le monde industriel, il est utilisé par Véolia pour la
séparation de micro-sable utilisé comme nucléase de la coagulation – floculation, avant
d’être introduit dans le système de traitement d’eau (Procédé ACTIFLO).
Différents projets de recherche utilisent des hydrocyclones pour séparer les agrégats
de coagulant et particules qui sont appelés « flocs » afin de diminuer la quantité de floc à
traiter avant l'étape de décantation. Toutefois, dans le domaine de l’ingé