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INSTALLATION DE TRAITEMENT D'EFFLUENTS, ET PROCEDE DE
CLARIFICATION ET DE FILTRATION UTILISANT CETTE
INSTALLATION
L'invention concerne une installation de traitement d'effluents et
un procédé de clarification et de filtration utilisant cette installation.
Plus particulièrement, l'invention concerne les installations de
traitement de clarification par coagulation/floculation/décantation et de
filtration sur membrane d'effluents, notamment de l'eau.
Les membranes de filtration (micro-, nano-, ultra- et
hyperfiltration) permettent d'assurer l'élimination de l'ensemble des
particules dont le diamètre est supérieur à la taille des pores de la
membrane, et d'une partie de la fraction dissoute lorsque la taille des
molécules est supérieure au seuil de coupure de la membrane.
Utilisée seule, la filtration sur membrane se voit exposée à un
risque de colmatage important de par la teneur de l'eau brute
d'alimentation en matières en suspension (MeS), en matières colloïdales
et dissoutes : le flux de dimensionnement des installations de
traitement sur membranes est limité par le pouvoir colmatant de l'eau
et l'exploitation des installations ainsi conçues est sujette à des
difficultés et à un manque de fiabilité liés aux fluctuations de la qualité
de l'eau à filtrer.
D'autre part, les matiéres colloïdales et dissoutes passant à
travers la membrane lors de l'étape de filtration peuvent, suivant la
qualité de l'eau brute, atteindre des concentrations dans l'eau filtrée
non conformes aux limites de qualité fixées par la réglementation en
matière d'eau destinée à la consommation humaine et par les
utilisateurs ayant des exigences particulières de qualité, notamment
dans l'industrie.
C'est la raison pour laquelle les procédés de clarification sur
membrane doivent être, dans de nombreux cas, associés à d'autres
traitements, notamment des procédés de prétraitement par coagulation.
Une solution consiste à prévoir en amont d'une installation de
filtration sur membrane, une installation de pré-clarification par
coagulation/floculation avec séparation gravitaire (par décantation ou
flottation) de la grande majorité des précipités de coagulant et
d'hydroxyde. Un tel couplage permet de diminuer la charge en
particules arrivant sur la membrane, la coagulation et l'adsorption
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réalisée dans l'installation de prétraitrement éliminant les matières
colloïdales et une partie des matières dissoutes.
Dans ce cas, le couplage est réalisé par simple juxtaposition de
deux installations de traitement, le séparateur gravitaire et le réacteur
membranaire immergé ou sous pression, ce qui nécessite une surface
au sol considérable.
De plus, le dimensionnement du flux de filtration du réacteur
membranaire est basé sur une concentration de matières en suspension
faible, liée aux performances de l'installation de séparation gravitaire
situé en amont, et est donc sensible à toute dégradation du
fonctionnement de ce dernier. Notamment, une augmentation de la
concentration en matières en suspension peut, suivant l'efficacité du
système de décolmatage des membranes, générer un blocage complet
du système de filtration. De même, l'inadéquation (sur-dosage ou sous-
dosage) du taux de traitement en coagulant par rapport à la pollution à
traiter résulte en une augmentation du pouvoir colmatant de l'eau
interstitielle. Cette augmentation intervient en particulier lors de
l'emploi d'un adjuvant de floculation dans le séparateur gravitaire pour
en améliorer les performances, et peut générer un colmatage profond de
la membrane dû à la concentration résiduelle d'adjuvant de floculation.
L'ensemble de ces dysfonctionnements rend le procédé de
coagulation - séparation gravitaire - filtration sur membrane difficile à
exploiter et d'un fonctionnement aléatoire et peu fiable, générant des
surcoûts d'exploitation, induits par une sur-consommation de réactifs
de lavage chimique des membranes et d'énergie, ainsi qu'un
accroissement du temps d'indisponibilité des installations de
production.
Une variante consiste à réaliser une coagulation directe sur des
membranes en carter ou immergées tel que décrit dans le document
EP-1 239 943. Le réactif coagulant est alors injecté dans l'eau à traiter,
et le mélange eau à traiter - coagulant est filtré directement sur la
membrane immergée dans le réacteur contenant l'eau à traiter. Dans ce
cas, une faible quantité de coagulant injectée permet d'éviter un
colmatage profond et irréversible des membranes. La surface au sol de
l'installation est alors réduite d'un facteur 2 ou 3 par rapport à la
solution précédente. Toutefois, on observe une hétérogénéité de la
concentration en matières en suspension dans le réacteur, ce qui
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génère un déséquilibre du fonctionnement des modules de filtration
membranaire immergés pouvant induire à long terme un colmatage
excessif et une augmentation des opérations de décolmatage. De plus,
la concentration d'extraction des boues formées est généralement
identique à la concentration de boues dans le réacteur. Or, en raison de
la limite de fonctionnement des membranes, liée au flux massique
maximum suivant la relation :
(1) Flux massique = Concentration en MeS x Jr,
(Jr : Flux de filtration)
la concentration de boues dans le réacteur est limitée par un flux
de filtration des membranes acceptable économiquement. L'extraction
des boues est ainsi réalisée avec un débit élevé d'extraction de l'ordre de
5 à 15 % du débit d'alimentation du système, ce qui génère des pertes
en eau élevées, ainsi qu'un surcoût d'exploitation, d'une part de
l'installation de filtration sur membrane en terme de consommation de
réactifs et d'énergie, et d'autre part de l'installation de post traitement
nécessaire pour épaissir les boues. On obtient alors un taux de
conversion, rapport du débit d'eau filtrée au débit d'eau brute entrant,
de l'ordre de 85 à 95 %.
On connaît, par ailleurs, par US 4 756 644 A, qui appartient à la
Demanderesse, un dispositif de décantation à lit de boues, comprenant
un bac de décantation, muni à sa base d'un dispositif de répartition du
liquide à traiter, ce dispositif étant équipé d'un système d'alimentation
pulsée en liquide et d'un système d'évacuation du liquide traité. Le
liquide à traiter circule de bas en haut dans le réacteur, à travers un
système de décantation lamellaire. On n'y mentionne pas l'utilisation
d'un système de modules de filtration sur membrane.
L'invention vise à pallier des inconvénients de la technique
antérieure rappelés ci-dessus en proposant une installation permettant
d'améliorer la capacité de filtration sur membrane et de réduire les
pertes d'eau, sans augmentation de la surface au sol.
La Demanderesse a constaté, en effet, de façon surprenante pour
l'homme de l'art que cette capacité de filtration est améliorée lorsque les
membranes sont placées directement dans un décanteur par
coagulation/floculation/décantation à lit de boues pulsé.
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Dans un tel décanteur, décrit par exemple dans les documents
FR-1 115 038 et FR-2 132 954, l'effluent à traiter circule de bas en haut
au travers d'un lit de boues formé de matières coagulées et floculées en
suspension, le lit favorisant l'amorçage de la coagulation, agglomérant
et retenant les précipités formés et les matières en suspension
contenues dans l'effluent à traiter. En raison des nombreuses matières
en suspension dans le décanteur, la filtration sur membrane est
généralement réalisée en aval, dans une installation séparée afin
d'éviter tout risque de colmatage des membranes, tel que décrit plus
haut.
La Demanderesse a constaté que, immergées dans un tel
décanteur, les membranes se recouvrent effectivement de matières
formant un gâteau de filtration. Mais, au lieu de dégrader la capacité de
filtration de la membrane, la présence du gâteau assure au contraire la
protection de la membrane. Le gâteau de filtration formé est en effet
poreux et faiblement comprimé, créant effectivement une résistance à la
filtration donnée, mais protégeant la membrane vis-à-vis du pouvoir
colmatant de l'eau interstitielle, notamment en présence de
concentrations élevées de matières colloïdales ou dissoutes,
partiellement, voire non coagulées. Ces matières sont alors adsorbées
sur la couche protectrice formée. La Demanderesse a également
constaté que cette adsorption peut en outre être améliorée par l'ajout de
réactifs adsorbant, par exemple le charbon actif, permettant
d'augmenter le pouvoir adsorbant du gâteau de filtration. Un
phénomène similaire est également observé lors de l'ajout d'un adjuvant
de floculation, qui favorise la floculation et le contrôle du coefficient de
cohésion k du lit de boues, mais dont un excès peut provoquer le
colmatage des membranes. Dans le cas présent, l'adjuvant de
floculation en excès est retenu par le gâteau de filtration, protégeant
ainsi la membrane.
Ainsi, de manière inattendue, les caractéristiques spécifiques de
la boue floculée, en lit de boues pulsé, permettent d'améliorer les
performances des membranes immergées. On observe alors que le flux
limite de filtration JF des membranes ne suit plus la théorie classique
du flux massique (formule (1)), mais dépend également du caractère
cohésif des boues floculées dans le décanteur :
(2) Flux massique = f(Concentration en MeS, JF, FM, k),
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où k est le coefficient de cohésion de la boue et caractérise la
décantation en lit de boue pulsé, et FM représente le flux massique
caractéristique de la décantation piston des boues.
La filtration sur membrane, du fait de la présence du gâteau de
5 filtration, peut alors être réalisée à des flux plus élevés sans risque de
colmatage important.
Un premier objet de l'invention concerne une installation de
traitement d'effluents liquides, notamment de l'eau, comprenant un
décanteur à lit de boue pulsé comportant :
- un bac de décantation muni à sa base d'un dispositif de
répartition des effluents à traiter agencé et disposé de manière à
provoquer une alimentation homogène sur toute la surface du bac, et
pourvu d'un système d'extraction des boues formées,
- un système d'alimentation en effluents, en amont du dispositif
de répartition, pourvu d'un dispositif de génération de pulsations
permettant de faire varier le débit d'effluents entrant dans le bac,
- au moins un module de filtration sur membrane situé au dessus
du dispositif de répartition, de manière à être immergé lors du
fonctionnement de l'installation, et
- un système d'extraction des effluents traités par le(s) module(s)
de filtration relié en aval à ce(s) dernier(s),
cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend au
moins un module de filtration sur membrane situé au-dessus du
dispositif de répartition des effluents à traiter, de manière à être
immergé lors du fonctionnement de l'installation, et en ce que le
système d'extraction des effluents traités est relié en aval au(x)
module(s) de filtration.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé de clarification
par coagulation, floculation et décantation, et de filtration sur
membrane d'effluents chargés en matières en suspension, et/ou
matières colloïdales et/ou matières dissoutes, notamment de l'eau
brute, dans lequel on introduit les effluents à traiter en continu avec un
débit variable pulsé dans le bac d'une installation de traitement selon
l'invention.
L'emploi d'un décanteur à lit de boues pulsé permet de mettre en
oeuvre un système de répartition simple et efficace : les survitesses
périodiques provoquées par le système de pulsation permettent de
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répartir de manière équilibrée l'effluent à traiter sous l'ensemble des
modules de filtration. Aucun déséquilibre de fonctionnement des
diverses membranes n'est ainsi observé, contrairement à la coagulation
directe sur membrane décrite plus haut. De plus, les pulsations ou
survitesses appliquées à l'effluent à traiter lors de son entrée dans le
bac de décantation créent, au niveau des membranes des modules, une
vitesse tangentielle variable au cours du temps. Ce mode de filtration
pseudo tangentiel induit dans les modules de filtration limite le
colmatage des membranes lors de la filtration. De plus, lors de la
filtration, les pulsations génèrent des fluctuations du flux de filtratïon,
assurant ainsi la formation d'un gâteau de filtration hétérogène qui sera
plus facilement éliminé par décolmatage hydraulique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, non
limitatifs, dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un
mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une représentation similaire d'une variante de
réalisation.
L'installation selon l'invention comprend un décanteur 1
comportant un bac de décantation 2 muni à sa base d'un dispositif de
répartition 3 des effluents et pourvu d'un système d'extraction des
boues formées 4.
Un système d'alimentation 5 en effluents, en amont du dispositif
de répartition 3, est pourvu d'un dispositif de génération de pulsations
6 alimenté en effluent à traiter par une conduite 7. Ce dispositif de
génération de pulsation 6 permet de réaliser l'introduction pulsée de
l'effluent dans le bac 2. Il s'agit par exemple d'un système connu de
cloche à vide dans lequel une pompe à vide 8 et une vanne 9 permettent
respectivement de faire monter le niveau de l'effluent dans la cloche et
de la vider brusquement, tel que décrit dans le document FR-1 115 038.
Plusieurs modules 10 de filtration sur membrane sont situés au
dessus du dispositif de répartition 3, et sont disposés de manière à être
immergés lors du fonctionnement de l'installation.
Les membranes utilisées dans les modules peuvent être choisies
parmi les membranes à configuration plane, tubulaire, spiralée ou à
fibre creuse, à peau externe ou interne.
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Chaque module 10 est relié en aval à un système d'extraction 11,
formé par exemple de conduites, par lesquelles les effluents traités sont
évacués, par exemple au moyen d'une pompe 12.
Le dispositif de répartition 3 est formé par un réseau de conduites
perforées 13 s'étendant sur toute la surface du bac, et de déflecteurs 14
situés au dessus et à proximité des conduites perforées 13.
Les survitesses périodiques provoquées par le système de
pulsation 6 permettent de répartir l'effluent à traiter dans le réseau de
conduites 13 positionnées sous l'ensemble des modules 10 de filtration.
Ces pulsations créent des turbulences dont l'énergie est dissipée par les
déflecteurs 14. Une partie de cette énergie dissipée contribue à la
réalisation de la floculation. L'énergie résiduelle permet de maintenir le
lit de boues homogène, conformément au paramètre de cohésion k.
Le système d'extraction des boues 4 comprend en outre un
concentrateur de boues 15 de type connu, de préférence par
décantation.
L'installation est plus particulièrement destinée aux procédés de
clarification par coagulation/ floculation/ décantation. Lors de son
fonctionnement, un lit de boues se forme entre le réseau de conduites
perforées 13 et de déflecteurs 14, et le niveau de débordement dans le
concentrateur de boue 15. Cette zone forme une zone de traitement
dans laquelle est réalisée une coagulation/floculation par contact avec
les boues permettant une épuration optimale de l'eau interstitielle et
abaissant son pouvoir colmatant vis-à-vis des membranes. Au dessus
du lit de boue se situe une zone de décantation, contenant moins de
particules en suspension. La ligne pointillée L sur les figures symbolise
la limite entre ces zones, cette limite étant bien entendu moins marquée
en réalité. La ligne S représente l'interface entre la zone de décantation
et l'air.
Dans la variante représentée sur la figure 1, les modules 10 sont
situés dans la partie inférieure du bac 2, à proximité du système de
répartition 3, de manière à être dans la zone de traitement. Ils sont
donc entièrement immergés dans le lit de boues et sont situés au
dessus du système de répartition 3.
Une autre variante est représentée sur la figure 2 : les éléments
identiques sont désignés par les mêmes références avec un prime (').
Dans cette variante, le décanteur 1' présente en plus un système de
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décantation lamellaire 16' disposé dans la partie inférieure du bac de
manière à être immergé dans la zone de traitement lors du
fonctionnement. Il s'agit par exemple de plaques inclinées disposées
parallèlement les unes aux autres, tel que décrit dans le document
US 5 143 625. L'installation comprend également en plus un dispositif
de concentration du type lamellaire à flux croisé 17' à l'entrée du
concentrateur 15'.
Dans cette variante, les modules 10' de filtration sur membrane
sont situés au dessus de ce système de décantation lamellaire 16' et
donc au dessus de la zone de traitement, dans la zone de décantation.
En fonction de l'encombrement du système de décantation 16', les
modules peuvent éventuellement être en partie dans la zone de
traitement et en partie dans la zone de décantation.
Lors du fonctionnement de l'installation, l'effluent à traiter, par
exemple de l'eau brute, pénètre dans le système de génération de
pulsations 6, 6', puis est répartie sur toute la surface du fond du bac 2,
2' grâce au système de répartition 3, 3'. Ensuite, l'eau brute circule de
bas en haut dans le bac, en traversant le cas échéant le dispositif de
décantation lamellaire 16', et pénètre dans les modules de filtration 10,
10'. L'eau sortant des modules filtrée par les membranes est évacuée
par le système d'évacuation 11, 11' au moyen de la pompe 12, 12'.
Simultanément, la boue formée est extraite au niveau du concentrateur
de boues 15, 15'. Ce dernier 15, 15' limite ainsi la hauteur du lit de
boues et permet de réduire de façon significative les pertes en eau en
augmentant la concentration des boues extraites d'un facteur de 2 à 20
par rapport à la concentration du lit de boues. L'utilisation à son entrée
du système de concentration 17' permet d'augmenter davantage la
concentration des boues extraites : la boue "roulant" sur le dispositif
lamellaire se déshydrate, augmentant ainsi son flux massique limite. Le
sens de circulation de l'effluent et des boues est symbolisé par les
flèches sur les figures.
La gestion des extractions de boues est par exemple basée sur
une purge périodique de quelques secondes, typiquement de 15 à 90
secondes, toutes les 15 à 90 minutes. La fréquence et la durée des
purges peuvent être adaptées au volume de boues présent dans le
concentrateur, ou à sa concentration, par asservissement de l'extraction
au signal d'une sonde (non représentée) présente dans le concentrateur
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et mesurant le niveau ou la concentration, et comparant ces données à
une valeur de consigne.
Bien entendu, le dispositif de concentration lamellaire à flux
croisé 17' peut également être prévu dans l'installation représentée sur
la figure 1.
De préférence, l'effluent est introduit dans l'installation à un débit
élevé pendant des périodes très brèves comprises entre 5 et 20 secondes
environ, séparées par des intervalles de temps relativement longs
compris entre 30 et 180 secondes environ, pendant lesquels le débit
d'effluent est faible et sensiblement constant.
Avantageusement, le débit élevé d'effluent est choisi de manière à
obtenir des vitesses d'écoulement dans le bac comprises entre environ 2
et 30 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac, et de
préférence compris entre 4 et 18 m3.m-2.h-1.
Avantageusement, on peut ajouter à l'effluent lors de son
introduction dans l'installation (par exemple au moyen d'une vanne non
représentée), des coagulants minéraux et/ou organiques, et/ou des
agents de floculation, et/ou des réactifs adsorbants. Des exemples de
coagulants minéraux sont les dérivés chlorure, sulfate, chloro-sulfate
du fer ou de l'aluminium, ou d'autres dérivés. Les réactifs adsorbants
utilisés sont par exemple le charbon actif en poudre. D'autres exemples
de réactifs sont cités dans le "Mémento Technique de l'Eau", édité par
DEGRÉMONT en 1992, page 224).
Il est également préférable de réaliser périodiquement une
inversion momentanée du sens de perméation des modules de filtration
sur membrane afin d'effectuer un décolmatage des membranes. Un tel
décolmatage hydraulique est par exemple effectué typiquement tous les
deux ou trois jours, et peut être commandé en fonction de mesures de
pertes de charge ou du flux dans les modules, ou de tout autre
paramètre approprié. Le colmatage des membranes peut également être
limité en envoyant un flux de gaz, généralement de l'air, au travers des
membranes durant la filtration ou durant le décolmatage.
Exemple
On décrira maintenant un exemple de mise en o uvre d'une
installation selon l'invention. Cet exemple se réfère à des essais qui ont
été réalisés sur une eau de rivière relativement chargée, laquelle ne
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pouvait être traitée par filtration directe sur membrane en assurant une
élimination suffisante en matière organique, et qui nécessitait donc un
prétraitement par coagulation.
Les caractéristiques de l'eau brute traitée sont les suivantes
5 - température comprise entre 12 et 15 C
- turbidité : 5 à 15 NTU
- carbone organique total : 5 à 7 mg/l
- carbone organique dissous : 4,5 à 6 mg/1
La concentration des matières en suspension en entrée de
10 l'installation est d'environ 25 mg/1.
On a utilisé pour cet essai une installation de 5 m3/h du type
illustré par la figure 1, équipée de modules de membrane d'ultra-
filtration immergés et comportant également une injection de coagulant
avec un mélangeur en ligne (non représenté) au niveau du système
d'alimentation 5.
Le coagulant utilisé lors des essais est du chlorure ferrique, à un
taux de traitement de 30 mg/1, en produit pur.
La concentration dans le lit de boues est d'environ 500 mg/1 de
matières en suspension.
Le coefficient k mesuré sur la boue est de 0,8 ; Le FM est de 5.
La vitesse de décantation moyenne dans le bac durant l'essai est
de 4 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac, pour une
vitesse maximale durant les pulsations de 30 m3.m-2h-1, permettant
d'assurer un fonctionnement des membranes en filtration pseudo-
tangentielle.
Les pulsations permettent de maintenir, dans cet exemple, un
flux de filtration moyen de 60 l.h-i.m-z à 20 C avec une variation du flux
de plus ou moins 5 l.h-l.m-2 (avec une fréquence d'environ une pulsation
toutes les minutes).
Le taux de conversion obtenu est de 99 % pour une concentration
de 2,5 g/l de matières en suspension à l'extraction (concentration
portée à 5 g/l avec l'emploi d'un système de concentration lamellaire à
flux croisé en entrée du concentrateur), soit un flux net filtré de
59 l.h-l.m-2 à 20 C.
A titre de comparaison permettant de démontrer l'intérêt de ce
procédé, les résultats obtenus lors de la coagulation directe sur
rnembrane immergée de cette eau brute permettent d'aboutir à un flux
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maximum de 45 l.h-l.m-2 à 20 C pour un taux de conversion de 91
soit un flux net de filtration de 41 l.h-l.m-2 à 20 C.
Dans une installation couplant un décanteur à lit de boues pulsé
(donc avec une épuration de l'eau interstitielle similaire à celle obtenue
sur l'appareil combiné) en amont d'une installation de filtration sur
membrane, le flux appliqué est de 50 l.h-1.m-2 à 20 C avec un taux de
conversion de 96 %, soit un flux net de filtration de 48 l.h-I.m-2 à 20 C.
Ainsi, l'installation selon l'invention peut fonctionner avec un gain
de 30% en flux net par rapport à une coagulation directe sur membrane
immergée, et avec un gain de 19 % en flux net par rapport au couplage
de deux installations séparées de coagulation/décantation d'une part et
de filtration sur membrane d'autre part. En terme de gain de surface au
sol, la solution selon l'invention permet de diviser par 3 l'emprise au sol
de l'installation, par rapport au couplage de deux installations séparées.
