Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02500135 2005-03-23
WO 2004/028986 PCT/FR2003/002796
Procêdé de traitement d'eaux résiduaires
par bio-réacteur à membranes
La présente invention concerne le traitement des
eaux résiduaires à l'aide de bio-réacteurs à membranes.
On saït qu'à l'occasion de tels traitements, il est
nécessaire de réaliser une opération de déshydratation
des boues biologiques provenant du réacteur, ces boues
subissant préalablement un conditionnement chimique afin
d'en assurer la floculation. Pour Ce conditionnement, on
utilise des polymères et plus généralement des
polyélectrolytes, notamment en vue d'obtenir des flots
volumineux, bien différenciés, dans une eau
interstitielle clarifiée. L'effluent liquide issu de
l'opération de déshydratation est recyclé en tête du bio-
réacteur à membranes.
Les retours de cet effluent en tête du bio-réacteur
à membranes induisent un risque majeur qui est dû au fait
que cet effluent, provenant de l'opération de
déshydratation des boues, contient des quantités
résiduelles relativement importantes de polyélectrolytes
susceptibles de provoquer un colmatage sévère, voire
irréversible des membranes du bio-réacteur.
Lors du traitement d'une eau résiduaire à l'aide
d'un bio-réacteur à membranes, le débit journalier des
retours en tête, c'est-à-dire de l'effluent liquide issu
de l'opération de déshydratation, représente couramment 1
à 5% du débit journalier d'alimentation en eau résiduaire
CA 02500135 2005-03-23
WO 2004/028986 PCT/FR2003/002796
urbaine et parfois plus de 10~ du débit journalier
lorsqu'il s'agit de traiter des eaux résiduaires
industrielles.
Lorsque le traitement de déshydratation des boues et
le recyclage en tête de l'effluent liquide issu de cette
déshydratation sont effectués de façon discontïnue, ce
qui est souvent le cas, la proportion entre l'effluent
issu de la déshydratation et l'alimentation en eau
résiduaïre du bïo-réacteur peut être ponctuellement bien
supérieure, ce qui aggrave encore le risque de colmatage
des membranes de la filière de traitement des eaux,
c'est-à-dire du bio-réacteur à membranes.
Afin de pallier cet inconvénient, deux solutions
sont à l'heure actuelle proposées par l'Homme de l'art .
1°) refuser le risque de colmatage. Dans ce cas, le
recyclage en tête de l'effluent liquide n'est pas
autorisé. Le traitement des boues issues du bio-réacteur
à membranes est alors délocalisé sur une station
classique voisine. Or, il n'est pas systématiquement
possible d'implanter une telle station de traitement des
boues à proximité de la station de traitement des eaux
résiduaires et, dans tous les cas, cette solution
implique le transport de volumes de boues pouvant devenir
difficilement acceptable lorsque la station est de
dimensions importantes.
2°) maîtriser le risque .
a) en limitant au maximum la quantité (c'est-à-dire le
dosage) de polyélectrolytes utilisée pour le
conditionnement des boues soumïses au traitement de
déshydratation, en veillant à réintroduire les retours en
tête de l'effluent liquide issu du traitement de
déshydratation des boues, au point le plus éloigné des
CA 02500135 2005-03-23
WO 2004/028986 PCT/FR2003/002796
membranes du bïo-réacteur et à répartir dans 1e temps ces
retours en tête, de manière à assurer la plus grande
dilution possible avec l'eau résiduaire alimentant le
bio-réacteur à membranes. Ceci peut notamment se traduire
par 1a nécessité de prévoir un bassin-tampon stockant
momentanément l'effluent avant son recyclage en tête.
Cette option peut permettre de gérer le risque de
colmatage des membranes du bio-réacteur, mais elle
n'élimine pas le risque d'un surdosage accidentel des
polyélectrolytes lors du traitement des boues. La
maîtrise d'un tel risque est d'autant plus difficilé â
assurer que l'analyse quantitative des résiduels des
polyélectrolytes contenus dans les retours en tête est
aujourd'hui techniquement complexe, voire impossible.
b) En soumettant les effluents issus du traitement de
déshydratation des boues à un pré-traitement en vue de
détruire les quantités résiduelles de polyélectrolytes.
Cette solution présente cependant l'inconvénient,d'être
trës coûteuse car l'élimination de quelques milligrammes
par litre de quantités résiduelles de polyélectrolytes
implique le plus souvent une dépollution au moins
partielle de l'effluent issu de la déshydratation des
boues. Ainsi, par exemple, un traitement d'oxydation par
l'ozone des quantités résiduelles de polyélectrolytes
implique un dosage très important et non économique en
raison de la demande en ozone de l'effluent (oxydation
des matières organiques). Plus généralement, les
traitements oxydants effectués sur de tels effluents
peuvent également donner lieu à des sous-produits
d'oxydation difficiles à éliminer par la filière eau si
cette dernière n'a pas été conçue pour traiter ce type de
pollution induite.
CA 02500135 2005-03-23
WO 2004/028986 PCT/FR2003/002796
Enfin, en l'absence de véritable « barrière
physique », les pré-traitements proposés â l'heure
actuelle ne permettent pas d'assurer une élimination
totale du risque de colmatage des membranes de la filière
de traitement des eaux.
Dans l'hypothèse où ces membranes sont gravement
colmatées par le polyélectrolyte, l'Homme de l'art peut
mettre en ouvre des procédures de lavage chimiques afin
de restaurer les performances des membranes. Cependant
l'efficacité de ces procédures est aléatoire et les
produits chimïques qu'elles mettent en oeuvre sont
agressifs pour les membranes, ce qui hypothèque leur
durée de vie. En outre, ces procédures impliquent une
maintenance lourde, coûteuse et une immobilisation d'une
partie de 1a surface des membranes quï n'est plus
disponible alors pour la filtration de l'eau résiduaire.
Cet inconvénient se traduit par la nécessité de
surdimensionner la partie fïltration membranaire.
La présente invention s'est donc fixé pour objectif
de permettre le recyclage, en tête de la filière eau
d'une installation de traitement d'eaux résiduaires par
bio-réacteurs à membranes, de l'effluent provenant de la
filière boue, c'est-à-dire de l'étape de déshydratation
des boues en excès issues de la filière eau, en
supprimant totalement le risque de colmatage des
membranes de la filière eau par les résiduels de
polyélectrolytes issus de la filière boue.
En conséquence, cette invention concerne un procédé
de traitement d'eau résiduaire par un bio-réacteur à
membranes comportant une étape de déshydratation des
boues et un recyclage, en tête du bio-réacteur, de
CA 02500135 2005-03-23
WO 2004/028986 PCT/FR2003/002796
l'effluent liquide issu de la déshydratation des boues,
caractérisé en ce que .
- les boues biologiques extraites du bio-réacteur sont
mises en contact avec l'effluent liquide provenant de
l'étape de déshydratation des boues de manière que la
teneur résiduelle dudit effluent en polyélectrolyte ayant
servi au conditionnement des boues lors de l'étape de
déshydratation migre vers les boues biologiques ;
- les boues biologïques sont séparées de l'effluent
liquide de manière à obtenir, d'une part un effluent
liquide exempt de polyélectrolyte et d'autre part une
boue biologique chargée en polyélectrolyte ;
- l'effluent liquide exempt de polyélectrolyte est
recyclé en tête du bio-réacteur à membranes et,
- la boue biologique chargée en polyélectrolyte est
évacuée vers l'étape de déshydratation.
Selon la présente invention, la séparation des boues
biologiques, de l'effluent liquide, est effectuée par
filtration sur membranes de microfiltration ou
d'ultrafiltration. En choisissant un seuil de coupure
nettement inférieur au poids moléculaire des
polyélectrolytes mis en ouvre lors de la déshydratation
des boues, les membranes de la filiêre boue agissent
comme une véritable barrière physique et produisent un
effluent exempt de traces de polyélectrolytes pouvant
être recyclé sur la filière eau, c'est-à-dire en tête du
bio-réacteur, sans risque de colmatage des membranes de
ce dernier, les boues ou flots biologiques, chargés en
polyélectrolytes étant évacués vers l'étape de
déshydratation des boues.
D~autres caractéristiques et avantages de la
présente invention ressortiront de la description faite
CA 02500135 2005-03-23
WO 2004/028986 PCT/FR2003/002796
cï-après, en référence aux dessins annexés qui en
illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les dessins .
- la figure 1 est une vue schématique représentant une
installation mettant en ouvre le procédé selon la
présente invention et,
- la figure 2 est une vue similaire â la figure 1,
relative à un exemple de mise en oeuvre du procédé objet
de l'invention.
En se référant à 1a figure 1, on y a schématisé en 1
la filière eau de traitement d'une eau résiduaire urbaine
ou industrielle, cette filière comportant un bio-réacteur
à membranes. Cette installation comporte un atelier de
déshydratation des boues issues de la filière eau,
désigné dans son ensemble par 1a référence 4, avec une
injection de polyélectrolyte pour le conditionnement des
boues, cet atelier produisant, d'une part des boues
déshydratées et, d'autre part un effluent de
déshydratation évacué à l'aide d'une conduite 6.
Les boues en excès provenant de la filiêre eau sont
mises au contact de l'effluent de déshydratation amené
par la conduite 6, dans un contacteur 2. Au cours de
cette mise en contact, la quantité résiduelle de
polyélectrolyte contenue dans l'effluent de
dêshydratatïon migre de la phase liquide vers les flocs
ou boues biologiques provenant de la filiêre eau, par des
phénomènes d'adsorption, d'absorption et de floculation à
des niveaux très éloignés de la saturation. Le rendement
de fixation du polyélectrolyte est voisin de 100%.
Ainsi, le procédé objet de la présente invention
permet la mise en contact intime d'une grande quantité de
boues biologiques en excès extraites du bio-réacteur à
CA 02500135 2005-03-23
WO 2004/028986 PCT/FR2003/002796
membranes (concentration de l'ordre de 8 à 12 gjl) avec
une faible quantité de polyélectrolyte résiduel contenue
dans l'effluent de déshydratation. Les pertes de
polyélectrolyte au niveau de l'atelier de déshydratation
4 peuvent représenter près de 10% du dosage initial,
voire plus en cas de surdosage.
Le contacteur 2 peut être par exemple un réacteur à
mélange rapide « TURBACTOR » tel que décrit dans le
Memento Technique de l'Eau, Tome 2, page 638, édité par
DEGREMONT (Editïon du Cinquantenaire 1989).
La séparation de la boue biologique et de la phase
liquide est ensuite effectuée par filtration de manière à
obtenir un effluent liquïde exempt de polyélectrolyte,
recyclé en tête de la filière eau à l'aide d'une conduite
7 et une boue biologique chargée en polyélectrolyte qui
est amenée à l'atelier de déshydratation 4 par la
conduite 5. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, cette
séparation peut être réalisée par filtration sur
membranes dë microfiltration ou d'ultrafiltration
agissant comme une barrière physique de manière à
produire un effluent exempt de traces de polyélectrolyte.
Cet effluent peut donc être recyclé sur la filière eau
sans risque de colmatage des membranes de cette filière.
Les membranes de la filière boue peuvent présenter toute
géométrie (plane, tubulaire, fibre creuse), être
réalisées en tout matériau approprié (organique ou
céramique) et présenter toute configuration de
fonctionnement(système externe ou système immergé).
La Figure 2 illustre un exemple de mise en oeuvre du
procédé objet de l'invention. Sur cette figure 2, on a
mentionné les valeurs caractéristiques de l'installation
CA 02500135 2005-03-23
WO 2004/028986 PCT/FR2003/002796
utilisée lors de cette mise en oeuvre et les donnêes
obtenues.
L' examen de cette figure montre que la « fuite » de
polyélectrolyte au niveau de l'atelier de déshydratation
des boues 4 représente 200 g/j. Ce résiduel de
polyélectrolyte est transféré, dans le contacteur 2, sur
200 kg de boues biologiques issues de la filière eau l,
soit un rapport de 1000.
La surface de membranes 3 (60 m2) installée sur la
filïère boue ne représente que 3% de la surface de
membranes (2000 m2) du bio-réacteur de la filière eau. Il
en résulte que 1e risque de colmater accidentellement les
membranes est lïmité à 3% de la surface membranaire
totale de l'installation de traitement. Par ailleurs, le
fait de dissocïer les membranes de la filière eau 1 et
les membranes 3 de la filière boue permet d'effectuer un
lavage chïmique des membranes de la filière boue sans
réduire la capacitê de filtration de la filière eau. Il
est également possible de prévoir deux jeux de membranes
sur la filiêre boue (une en fonctionnement, l'autre en
lavage ou à l' arrêt) , étant donné la faible surface des
membranes de cette filière boue, ceci étant évidemment
impossible, pour des raisons économiques, sur la filière
eau compte tenu de la surface importante des membranes
des bio-réacteurs.
On voit sur cette figure que l'effluent de
déshydratation recyclé en tête de la filière eau est
exempt de polyélectrolyte, ce qui élimine tout risque de
colmatage des membranes de la filière eau.
Par ailleurs, l'invention permet de réduire la
consommation de polyélectrolyte utilisé lors du
conditionnement des boues dans l'atelier de
CA 02500135 2005-03-23
WO 2004/028986 PCT/FR2003/002796
déshydratation 4. En effet, le dosage de polyélectrolyte
nécessaire à la déshydratation des boues produites par la
filière eau est de 10 kg/TMeS. Le recyclage des
« fuites » de polyélectrolyte vers l'atelïer de
déshydratation (conduite 5) permet de réduire de 10~ la
consommation de polyélectrolyte, cette dernière étant
alors de 1,8 kg/j au lieu de 2 kg/~.
Les avantages apportés par la présente invention
sont notamment les suivants .
- elle permet de maîtriser le caractère colmatant des
effluents liquides issus de l'étape de déshydratation des
boues par transfert d'une faible quantité de
polyélectrolyte sur une grande quantité de flocs
biologiques (rapport 500 à 4000) ;
- elle garantit l'absence de traces résiduelles de
polyélectrolyte dans l'effluent liquide recyclé en tête
de la filière eau, ce qui élimine le risque de colmatage
des membranes de cette filière ;
- elle permet de réduire le dosage de polyélectrolyte
lors de la déshydratation des boues grâce au recyclage
des fuites de polyélectrolyte sur les boues provenant de
la filière eau, avant leur conditionnement.
Il demeure bien entendu que la présente invention
n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et
représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les
variantes.
