Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2007/028879 PCT/FR2006/002020
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PROCEDE D'EPURATION D'EAUX USEES AVEC AJOUT D'AGENT OXYDANT.
La présente invention est relative à des procédés et dispositifs pour
améliorer le
traitement des eaux usées comprenant un ou plusieurs traitement(s)
biologique(s)
associé(s) à un organe de séparation liquide / solide membranaire de façon à
réduire les
coûts d'investissement en augmentant la filtrabilité de la culture biologique
et en réduisant
la surface des membranes.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé d'épuration des eaux usées,
d'origine municipale ou industrielle, chargées en matières organiques, procédé
comprenant
une étape au cours de laquelle les eaux usées séjournent dans un dispositif de
traitement
mettant en aeuvre une culture biologique contenant la biomasse épuratrice et
dont la
séparation effectuée par filtration au travers de membranes organique ou
inorganique
(micro-, ultra-, nano- ou hyperfiltration).
Il est connu de l'homme de métier que les membranes de filtration (micro-,
ultra-,
nano ou hyperfiltration) sont sensibles au colmatage ce qui conduit à un
surdimensionnement initial de la surface de membrane et à long terme à
l'augmentation
des coûts d'exploitation correspondants aux réactifs utilisés pour le
nettoyage de celles-ci.
Le colmatage des membranes par différents types de substances, notamment des
substances dissoutes comme les matières organiques, les colloïdes ou les
substances en
suspension (en abrégé MeS, Matières en Suspension), est fortement affecté par
les
conditions hydrauliques au voisinage de la membrane de filtration, mais
également par les
propriétés du floc microbien. Le colmatage conduit à une réduction très
importante de la
capacité de filtration de la membrane, la baisse n'étant pas toujours
réversible.
Il est en outre connu ( Mémento technique de l'Eau Tome 1, chapitre 3 et
chapitre 4.1 - Edité par DEGREMONT 2005) que l'ajout de certains réactifs
permet de
réduire le colmatage des membranes. En particulier l'homme de l'art sait que
la
coagulation par des sels métalliques permet de stabiliser les colloïdes, de
précipiter
certaines matières organiques après adsorption et de ce fait d'améliorer la
filtration de la
membrane. Il est courant de trouver dans la littérature de nombreuses
publications
évoquant l'utilisation de charbon actif en poudre, de polymères ou d'autres
structurants tels
que les billes de verre permettant de réduire la quantité de particules à
faibles poids
moléculaires dans la phase soluble et de limiter ainsi le phénomène de
colmatage.
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Ces phénomènes peuvent être caractérisés selon plusieurs approches :
- Par essai de coagulation-floculation en bécher de laboratoire avec
différentes
doses de réactif et estimation, par exemple, des vitesses de décantation,
- Par mesure du potentiel Zêta (pZ) et surtout de l'évolution dudit pZ, en
fonction
des doses de réactifs ajoutées, jusqu'à déterminer la dose qui annule le pZ et
qui
correspond donc au taux de traitement requis pour obtenir une coagulation
optimale.
Ces deux approches conduisent à définir une dose de coagulant ou de
structurant,
dite dose optimale de coagulation , qui selon l'expérience acquise par
l'homme de l'art
est la dose qui permet le meilleur traitement de clarification de l'eau en
cours de traitement
et qui par conséquent va assurer les meilleures conditions de travail pour la
membrane,
c'est à dire les conditions les moins encrassantes.
Néanmoins, outre son coût, l'ajout d'un réactif présente plusieurs
inconvénients qui
se répercutent sur le coût d'exploitation, notamment ce qui a trait à sa
gestion, à la
production de boues physico-chimiques. D'autre part, selon l'importance de la
fraction
minérale dans les boues en excès, certaines filières de valorisation, telles
l'incinération et
la valorisation agricole, peuvent être interdites.
La présente invention vise à fournir un procédé permettant de minimiser ou à
tout
le moins de réduire le colmatage des membranes et d'en améliorer la capacité
de filtration
tout en renforçant l'économie du procédé. Pour parvenir à ce résultat les
problèmes
techniques à résoudre sont les suivants :
- Eviter d'introduire dans le dispositif de traitement des sels métalliques,
charbon
actif ou tout autre composé structurant,
- augmenter notablement le flux spécifique de production (l.h l.m Z de
membrane),
- produire un minimum de boues,
- réduire la surface de membranes à installer pour traiter un même volume
d'eau.
Les inventeurs ont constaté que, dans des conditions particulières et de façon
surprenante pour l'homme de l'art, l'action de l'ozone sur la boue activée
contenant la
biomasse épuratrice permettait d'améliorer significativement la capacité de
filtration de la
membrane sans pour autant annuler le potentiel Zêta de l'eau à traiter.
L'homme de métier sait que l'oxydation par l'ozone est utilisée dans le
domaine du
traitement des eaux usées pour réduire la quantité de boues produites par un
traitement
biologique. Pour cette application, les doses d'ozone appliquées doivent être
suffisamment
importantes pour entraîner la déstructuration du floc microbien, l'éclatement
des bactéries
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et la solubilisation des matières organiques particulaires de manière à les
rendre
biodégradables.
La demande de brevet WO 03078335 décrit un tel procédé, où les boues activées
subissent un pré-traitement à l'ozone (dose de 0,02 g 03/g matières sèches) en
combinaison
avec un traitement alcalin et thermique de manière à augmenter la
biodégradabilité de
micro-organismes en hydrolysant leur paroi cellulaire. Le principal
inconvénient de ces
procédés est de libérer dans la phase liquide, une fraction organique non
biodégradable dite
DCO dure qui s'accumule dans le bioréacteur à membrane et dont la structure
fortement colloïdale peut contribuer à l'encrassement des membranes de
filtration.
A cet effet, l'invention propose un procédé d'épuration d'eaux usées chargées
en
matières organiques, ledit procédé comprenant une étape de mise en contact des
eaux usées
avec une culture biologique contenant une biomasse épuratrice et une étape de
séparation
effectuée par filtration au travers de membranes organiques ou inorganiques,
caractérisé en
ce qu'au moins une partie de ladite culture biologique est soumise à une étape
de stress
oxydatif conduisant à l'obtention d'une liqueur par action d'ozone mis en
a.uvre en faible
quantité, à raison de 0,1 mg à 8 mg d'ozone par gramme de matières sèches de
l'effluent à
traiter, de manière à préserver l'activité biologique de la biomasse
épuratrice tout en
modifiant la structure du floc microbien pour le rendre plus dense.
On entend par stress oxydatif au sens de l'invention, une oxydation ménagée et
réduite de l'effluent à traiter de manière à provoquer l'oxydation partielle
des composés
oxydable. Cette oxydation incomplète provoque une modification et une
structuration des
boues de telle sorte qu'elles deviennent moins encrassantes pour les membranes
de
filtration. En particulier, ce stress oxydatif permet de générer des flocs
plus denses et plus
durs tout en préservant l'activité biologique de la biomasse épuratrice.
Avantageusement, la liqueur est renvoyée dans le dispositif principal par
recirculation.
Du fait de la préservation de l'activité biologique de la biomasse épuratrice,
il
devient dès lors tout à fait possible de réintroduire en tête de ligne la
liqueur et ainsi limiter
l'ajout de biomasse pour les traitements biologiques en amont de la filtration
par ce
réensemencement.
Avantageusement, le pH est toujours compris entre 6 et 9, bornes incluses.
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Cette caractéristique permet, elle aussi, de préserver l'activité biologique
de la biomasse épuratrice et permet de ne pas avoir à corriger le pH des
effluents et/ou de
la liqueur avant un éventuel soutirage.
Selon un mode préférentiel de mise en oeuvre du procédé selon l'invention,
l'étape
de stress oxydatif est combinée avec une agitation mécanique avant que la
liqueur soit
renvoyée dans le dispositif principal.
Dans ce cadre, l'agitation mécanique peut avoir lieu avant l'étape de stress
oxydatif, après l'étape de stress oxydatif ou encore l'étape de stress
oxydatif et l'agitation
mécanique ont lieu dans la même enceinte réactionnelle.
Avantageusement, l'étape de stress oxydatif est mise en oeuvre dans un
réacteur
d'oxydation qui comporte au moins un évent d'où sort un effluent gazeux
comprenant au
moins de l'oxygène, le procédé comprenant en outre une étape consistant à
collecter cet
effluent gazeux, et à réutiliser ledit effluent gazeux pour traiter les eaux
usées ou un autre
liquide résultant du traitement de ces eaux usées.
L'intérêt d'utiliser un agent oxydant gazeux tel que l'ozone est typiquement
de
générer à partir de l'étape de stress oxydatif, un effluent gazeux riche en
oxygène qui
pourra être réintroduit en tête de procédé pour favoriser la phase aérobie des
traitements
biologiques.
Enfin, l'étape de stress oxydatif peut être réalisée dans un réacteur
travaillant sous
pression, par exemple de 0,1 à 5 bars.
Grâce à ces dispositions, le floc devient plus gros et large avec une
structure dense
et granuleuse qui peut être observée au microscope. L'amélioration des
propriétés des flocs
contribue à augmenter la filtrabilité de la culture biologique.
L'invention présente aussi l'avantage de réduire les éventuels désordres
biologiques (notamment bulking ) dus aux bactéries filamenteuses et
d'augmenter de
manière importante la décantabilité des boues.
Quelle que soit la dose d'agent oxydant et en particulier d'ozone, les
bactéries
filamenteuses, qui nuisent à la bonne décantation des boues du fait de leur
morphologie,
seront détruites ce qui augmentera d'autant la qualité du paramètre de
décantation. Cela
provoquera une amélioration de la qualité et de la structuration des boues.
Par ailleurs, l'invention contribue à produire des boues biologiques dont la
déshydratabilité est fortement améliorée tant au niveau de la consommation de
polymère
que sur la siccité finale.
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Le procédé selon l'invention donne d'excellents résultats lorsqu'il est
appliqué à des membranes de différentes formes (capillaires, tubulaires,
planes, en spirales)
à peau interne et externe, présentant des configurations variées (en carter,
sans carter et
immergées dans un bassin). L'invention convient également aux applications
relevant de
l'arrosage de zones récréatives et de la réutilisation d'eaux usées dans les
usines.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de la
description faite ci-après en référence aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'une installation de traitement des
eaux
équipée de membrane et mettant en oruvre un procédé selon différentes formes
de
réalisation de l'invention,
- les figures 2 à 4 sont des vues schématiques montrant plus en détail le
contenu
du dispositif 9 de la figure 1, dans lequel est mis en uvre le traitement
combiné
d'oxydation et d'agitation mécanique de l'effluent à traiter,
- les figures 5 et 6 sont des vues similaires à la figure 1, pour une autre
forme de
réalisation et d'invention, et
- la figure 7 montre l'évolution de la perméabilité membranaire en fonction du
temps pour un procédé conventionnel et un procédé selon l'invention.
La figure 1 représente très schématiquement une station d'épuration d'eaux
usées
comprenant :
- une arrivée 1 d'eaux usées chargées en matières organiques,
- un ou plusieurs réacteurs de traitement biologique, par exemple un bassin 2
dans lequel les dites matières organiques sont dégradées par la biomasse
épuratrice en
produisant des boues,
- un bac de filtration 3 héberge des membranes de filtration 4 qui permettent
de
séparer la phase liquide de la phase solide,
- une sortie de l'eau traitée 5, qui recueille l'eau filtrée en sortie de la
filtration
sur les membranes 4,
- une évacuation des boues produites en 6,
- une première boucle de recyclage 7 qui recueille une partie des boues au
niveau
de l'évacuation 6 et qui recycle ces boues en tête du bassin d'aération 2,
cette première
boucle de recyclage pouvant le cas échéant être supprimée (cette boucle de
recyclage peut
par exemple assurer un débit représentant de 50 à 400 % du débit nominal
d'effluent
urbain ou industriel traité par la station d'épuration), et
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- une deuxième boucle 8 de transformation des boues activées, qui
recueille également une partie des boues au niveau de l'évacuation 6 et qui
renvoie ces
boues en tête de bassin d'aération 2 après passage dans un ensemble de
traitement de boues
où lesdites boues subissent un traitement combiné d'oxydation par l'ozone
et/ou par
l'oxygène et d'agitation mécanique.
Comme représenté sur la figure 2, le dispositif 9 d'oxydation et le
d'agitation
mécanique, pour mettre en oeuvre l'étape de stress oxydatif conformément au
procédé
selon l'invention, comprend un agitateur mécanique 10 consistant généralement
en une
enceinte 11 comprenant une ou plusieurs turbines 12 ou éventuellement des
mixers
dynamiques ou des hydroéjecteurs... ou tout autre système d'agitation
mécanique. La
puissance du système d'agitation mécanique est choisie de façon que l'ensemble
9 de
traitement de boues dissipe une énergie mécanique d'agitation.
De plus, le dispositif 9 d'oxydation et d'agitation mécanique comprend un
réacteur
d'oxydation 13 qui consiste généralement en une enceinte fermée 16 qui reçoit
la boue à
traiter et dans laquelle on injecte de l'ozone provenant d'un ozoneur 17, au
moyen de buses
d'injection 14 (éventuellement remplacées par des diffuseurs poreux, des
hydroéjecteurs
ou autres), ces buses étant couplées le cas échéant à des mélangeurs statiques
ou
dynamiques.
L'ozonation consomme globalement de 0,1 mg à 10 mg d'ozone par g de matières
sèches contenues dans les boues traitées qui traversent le dispositif 9 de
transformation des
boues activées.
L'enceinte 16 peut être pressurisée, et fait dans ce cas l'objet de calculs de
structure
appropriés. De plus cette enceinte 16 présente un évent 15 d'où sort un
effluent gazeux
comprenant au moins de l'oxygène qui peut être réutilisé en un point
quelconque de la
station d'épuration, par exemple en tête de bassin d'aération.
Par ailleurs, l'agitateur mécanique 10 et le réacteur d'oxydation 13 ne sont
pas
obligatoirement disposés comme sur la figure 2 ; comme représenté sur les
figures 3 et 4, il
est possible :
- de disposer le réacteur d'oxydation en amont de l'agitateur mécanique (voir
plus particulièrement la figure 4)
- de disposer la turbine 12 ou autre système d'agitation dans le réacteur
d'oxydation 18 lui-même (figure 3), ce réacteur ayant par ailleurs des
caractéristiques
similaires au réacteur d'oxydation 13 décrit précédemment
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Enfin, comme représenté sur les figures 5 et 6, l'ensemble 9 de traitement
des boues avec toutes ses variantes décrites précédemment peut éventuellement
prélever
les boues dans le bassin d'aération 2 et renvoyer les boues traitées dans le
même bassin
d'aération.
Plus généralement, l'ensemble 9 de traitement des boues peut prélever les
boues à
traiter en un emplacement quelconque de la station d'épuration après au moins
un
traitement biologique des eaux usées, et renvoyer au moins une partie des
boues traitées
vers ce traitement biologique.
Un exemple de mise en oeuvre chiffré est décrit ci-après de façon à faire
ressortir
les effets techniques et avantages apportés par la présente invention.
Exemple :
Un essai a été réalisé sur deux filières de traitement identiques mettant en
ceuvre un
bioréacteur contenant une boue activée concentrée à 10 g/l en MeS, dans lequel
étaient
immergées des membranes en fluorure de polyvinylidène (PVDF) dotées de pores
de 0,035
microns et d'une surface totale de 0,93 m2, alimentées avec la même eau brute,
une eau
résiduaire urbaine, l'une des filières de traitement fonctionnant conformément
à
l'invention. Le dispositif d'oxydation dans lequel à lieu l'étape de stress
oxydatif était
composé d'un réacteur équipé d'un système d'agitation mécanique dans lequel
étaient
introduits l'effluent à traiter provenant du bioréacteur et l'ozone produit à
partir d'oxygène
pur. La dose d'ozone utilisée pour cet essai était de 3 mg d'ozone par g de
matières sèches
contenues dans l'effluent à traiter.
Les conditions de fonctionnement de la membrane étaient :
- Flux : 401/h.ma à 20 C
- Durée de cycle : 15 minutes
- Durée du rétrolavage : 30 secondes
- Flux de rétrolavage : 1,35 x flux de filtration
La figure 7 montre l'évolution de la perméabilité membranaire en fonction du
temps pour les deux systèmes.
Dans cet exemple, la perméabilité de la membrane de la ligne contrôle est de
71 1/h.m2.bar après 100 jours de fonctionnement contre 154 1/h.m2.bar pour la
ligne
équipée de l'invention.
L' amélioration de la filtrabilité des boues activées est également mise en
évidence
avec les mesures du temps de succion capillaire ou CST (Capillary Suction
Time). La
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valeur obtenue sur les boues activées de la filière de traitement équipée de
l'invention est plus de deux fois plus faible.
Contrôle Essai
CST 47s 28 s
Par ailleurs, la production de boue a été réduite de 10% et l'indice de boue
amélioré
de manière significative : 140 ml/g pour la ligne de contrôle contre 76 ml/g
pour la ligne
équipée de l'invention.
Il est clair que l'expérience rapportée ci-dessus et les résultats qu'elle
permet
d'obtenir vont à l'encontre de l'expérience de l'enseignement de l'art
antérieur. En effet :
- l'amélioration de la filtrabilté de la culture biologique sans ajout de sels
métalliques ou de réactifs structurants tels que charbon actif en poudre,
polymères ou billes
de verre, par modification de la structure du floc microbien soumis à un
stress oxydatif, et
- l'utilisation d'un oxydant puissant tel que l'ozone à une dose suffisamment
faible pour ne pas éclater les bactéries qui composent la biomasse épuratrice,
sont en
parfaite contradiction avec les routines d'utilisation de membranes
communément admises.
