Brevet FR2666245A1 — publié le 19920306

' invention concerne un procédé de commande des modes de fonctionnement d'un appareil automatique de filtration d'eau sur membranes tubulaires. Le traitement de l'eau par filtration sur membranes tubulaires en vue de sa distribution dans le réseau public d'eau potable présente un intérêt particulier pour des installations traitant des débits faibles à moyens De telles installations doivent pouvoir fonctionner de façon automatique, et fournir une quantité et une qualité constantes d'eau filtrée quelles que soient les variations de la qualité de la ressource, bien qu'elles soient mises à la disposition de communes qui ne disposent pas de moyens financiers suffisants pour assurer leur surveillance continue par du personnel qualifié. A l'heure actuelle, on connaît et on utilise trois modes de filtration pour les membranes tubulaires à peau interne; la filtration frontale, o la totalité de l'eau introduite dans les membranes traverse la membrane et est recueillie en tant que perméat (eau filtrée) à la périphérie du faisceau de membranes, le débit à la sortie des membranes étant nul et le nettoyage des membranes étant assuré, quand l'épaisseur de la couche de matières en suspension arrêtées par la membrane et déposées sur celle-ci provoque une augmentation de la perte de charge qui, à débit constant, augmente la pression au-dessus d'un seuil admissible, par des rétrolavages périodiques destinés à éliminer cette couche de matières déposées, et déclenchés par un automate de gestion (ou commande), la filtration tangentielle, o une partie seulement de l'eau introduite dans les membranes traverse la membrane et est recueillie en tant que perméat, tandis que l'autre partie recueillie à la sortie des membranes est recirculée dans une boucle, le nettoyage des membranes étant assuré d'une part en continu par la circulation de l'eau dans les membranes qui permet de maintenir en suspension dans le courant une partie des matières en suspension, au lieu qu'elles ne se déposent sur les membranes, donc de limiter l'épaisseur du gâteau, et d'autre part par des rétrolavages périodiques, et la filtration tangentielle avec purge continue reprenant le principe de la filtration tangentielle décrite ci-dessus o on purge une partie de l'eau d'alimentation de façon à limiter la concentration des matières en suspension dans le circuit. C'est le mode de filtration frontale qui est le plus économique au point de vue énergétique car il ne nécessite qu'une pompe d'alimentation dont le débit est égal au débit d'eau filtrée produite La filtration tangentielle exige une pompe supplémentaire pour la recirculation; l'adjonction d'une purge continue dont l'eau est renvoyée à son lieu de prélèvement ou à l'égout est évidemment encore moins économique. En cas d'augmentation de la turbidité ou de la charge en matières organiques de l'eau d'alimentation au-delà du seuil permettant le bon fonctionnement en mode frontal, il faudrait pouvoir passer au mode de filtration tangentielle et si la qualité de l'eau se détériore encore, il serait nécessaire de pouvoir procéder à une purge continue Inversement en cas de restauration de la qualité de l'eau à filtrer, il serait intéressant de revenir à un mode de fonctionnement plus économique. A l'heure actuelle, ces trois modes de fonctionnement pourraient être mis en oeuvre conjointement dans une même installation, le passage du mode frontal au mode tangentiel se faisant par mise en route de la pompe de recirculation et l'adjonction de la purge se faisant par ouverture de la vanne appropriée La décision de la modification serait alors faite par la personne chargée de la surveillance en fonction de la qualité de l'eau filtrée. E' serait donc intéressant de prévoir une automatisation du passage d'un mode à un autre, ne nécessitant pas d'intervention humaine L'invention fournit donc un procédé de commande des modes de fonctionnement d'un appareil automatique comprenant des modules de membranes tubulaires de filtration d'eau à peau interne, les modes de filtration possibles étant la filtration frontale, la filtration tangentielle (avec recirculation dans une boucle) et la filtration tangentielle avec purge continue, caractérisé en ce qu'on prévoit deux types de déclenchement des rétrolavages des membranes de filtration, le premier étant lié à des laps de temps, prédéterminés pour chaque mode de filtration, entre deux rétrolavages et le second étant lié à des valeurs de consigne, prédéterminées pour chaque mode de filtration, d'un paramètre de fonctionnement de l'appareil automatique; et on modifie le mode de filtration après qu'un rétrolavage lié à une des valeurs de consigne a été déclenché, la modification se faisant dans l'ordre: filtration frontale, filtration tangentielle, filtration tangentielle avec purge continue, ou dans le sens inverse. Lorsqu'au moins un rétrolavage est déclenché, en mode frontal, par atteinte d'une première valeur de consigne d'un paramètre de fonctionnement de l'appareil au lieu de l'être au bout d'un premier laps de temps prédéterminé, on passe automatiquement au mode tangentiel par mise en service de la boucle de recirculation, et lorsqu'au moins un rétrolavage est déclenché, en mode tangentiel, par atteinte d'une deuxième valeur de consigne au lieu de l'être au bout d'un deuxième laps de temps prédéterminé, on passe automatiquement au mode tangentiel avec purge par ouverture d'une vanne de purge sur la boucle de recirculation. Il est intéressant, au moins dans le cas du passage à la purge continue, de ne pas le faire au premier rétrolavage lié à la valeur de consigne mais de ne le faire que lorsque deux rétrolavages liés à la valeur de consigne ont été déclenchés dans un troisième temps prédéterminé inférieur au deuxième temps prédéterminé. Inversement si l'automate de gestion constate qu'en filtration tangentielle avec purge continue, deux ou plusieurs rétrolavages consécutifs sont déclenchés non plus par la valeur de consigne mais au bout du deuxième laps de temps prédéterminé, on repasse alors au mode de filtration tangentielle simple par fermeture de la vanne de purge. Un tel retour au mode de fonctionnement précédent peut être prévu entre le mode tangentiel et le mode frontal, lorsque l'automate constate par exemple que deux ou plusieurs lavages consécutifs sont déclenchés au bout du deuxième laps de temps prédéterminé lorsque celui-ci est au moins égal au premier laps de temps prédéterminé. Le paramètre de fonctionnement de l'automate choisi pour attribuer les valeurs de consigne doit être lié à la qualité de l'eau à traiter On peut citer à titre d'exemples la turbidité due à la charge en matières en suspension et la pression transmembranaire qui augmente lorsque la charge en matières en suspension et en matières organiques augmente. L'utilisation de la turbidité impose de déterminer, lors des essais de mise en route de l'installation, deux valeurs expérimentales qui seront choisies comme valeurs de consigne. Toutefois le paramètre est avantageusement la pression d'entrée dans les modules de filtration Cette pression d'entrée est en effet liée à la pression transmembranaire par la relation Pe + Ps Ptm -Pp o Ptm = pression transmembranaire Pe = pression d'entrée dans le module Ps = pression de sortie du module Pp = pression du perméat La pression transmembranaire maximum pour une membrane donnée, qui est la pression maximum à laquelle la membrane fonctionne correctement, est plus élevée en filtration tangentielle qu'en filtration frontale La pression d'entrée maximum dans le module étant liée à la pression transmembranaire maximum par la relation Pem = Ptm 2 + + Pp o AP = Pe Ps (perte de charge longitudinale), on dispose donc de deux valeurs de consigne dont la plus faible est associée au fonctionnement au mode frontal et au passage éventuel en mode tangentiel et la plus élevée au fonctionnement en mode tangentiel et au passage éventuel en mode tangentiel avec purge Les dispositifs de filtration d'eau fonctionnent en discontinu, selon la demande en eau filtrée Ils s'arrêtent lorsque le niveau d'eau dans les réservoirs (ou baches) alimentant le réseau public est élevé et se mettent en route lorsqu'il descend au-dessous d'une valeur donnée On prévoit donc dans le cas de la filtration sur membranes de commencer lors de chaque mise en route par le mode de filtration frontale, le passage aux autres modes de filtration se faisant si la qualité de l'eau se détériore en cours de fonctionnement, en raison par exemple d'orages ou de fortes précipitations En effet l'appareil de filtration est généralement dimensionné selon la qualité la plus fréquente de l'eau à traiter pour fonctionner en mode frontal nettement plus économique. Le procédé de commande va maintenant être décrit plus en détail, selon un exemple illustratif et non limitatif. Le procédé est mis en oeuvre en utilisant un ensemble de modules de membranes de filtration à peau interne, comportant une boucle de recirculation et un circuit de rétrolavage, ainsi qu'une vanne de purge continue, agencés de façon à autoriser les trois modes de fonctionnement décrits précédemment De tels agencements sont connus de l'homme de métier, avec plusieurs variantes permettant l'alimentation des modules en eau à filtrer par le haut et/ou par le bas Jusqu'à présent, le passage d'un mode de fonctionnement à un autre se fait par commande manuelle lorsque la qualité de l'eau filtrée laisse à désirer. On partira de la mise en route de l'appareil après un arrêt de la ligne de production dû à une absence de demande en eau (bache pleine). L'alimentation des membranes se fait alors à l'aide d'une pompe d'alimentation, la boucle de recirculation étant éventuellement utilisée pour le passage de l'eau à filtrer mais la pompe de recirculation est à l'arrêt. Les rétrolavages sont déclenchés de manière classique automatiquement au bout d'un premier laps de temps prédéterminé qui varie généralement de 20 mnn à 24 h selon la qualité de l'eau à traiter Ce premier laps de temps te est déterminé expérimentalement à la mise en route initiale de l'installation de filtration. Toutefois et selon l'invention, il est prévu un appareil de mesure de la pression d'entrée (selon le mode de réalisation préféré) dans les membranes Cet appareil est relié à un automate de gestion de l'appareil automatique. Si la pression d'entrée atteint la valeur maximum pi correspondant à la pression transmembranaire maximum en mode frontal (première valeur de consigne) avant que le laps de temps t 1 ne se soit écoulé depuis le dernier rétrolavage, l'automate déclenche un rétrolavage et met, à la fin du rétrolavage, la boucle de recirculation en fonctionnement par mise en marche de la pompe de recirculation La filtration se poursuit alors en mode tangentiel Il peut être avantageux de prévoir que la mise en route de la pompe de recirculation ne se fera que lorsque deux rétrolavages consécutifs auront été déclenchés par la première valeur de consigne en un temps inférieur au laps de temps ti. Dans le mode tangentiel, les rétrolavages sont normalement déclenchés au bout d'un second laps de temps prédéterminé t 2 qui est généralement inférieur ou égal à té En outre selon l'invention, lorsque la pression d'entrée maximum p correspondant à la pression transmembranaire maximum en mode tangentiel est atteinte (deuxième valeur de consigne), l'automate déclenche un rétrolavage et ouvre éventuellement, à la fin de celui- ci, la vanne de purge En effet, on prévoit avantageusement que l'automate n'ouvre la vanne de purge que lorsque deux rétrolavages ont été déclenchés par la deuxième valeur de consigne dans un laps de temps tm inférieur à té Ceci pour éviter que la purge ne se mette en oeuvre à l'occasion d'une détérioration très passagère de la qualité de l'eau. L'utilisation de la purge étant particulièrement désavantageuse au plan économique, il est souhaitable d'essayer de revenir au mode de filtration tangentielle simple Pour cela si l'automate constate que n rétrolavages consécutifs ont été déclenchés au bout d'un temps de filtration égal à ta, il ferme la vanne de purge pour revenir en mode tangentiel simple La valeur de N est choisie par exemple de façon empirique en fonction de l'installation Si la qualité de l'eau ne permet pas le maintien du fonctionnement en mode tangentiel simple, les rétrolavages seront déclenchés à nouveau par atteinte de la deuxième valeur de consigne, l'automate reviendra au mode de filtration avec purge. Si les rétrolavages restent déclenchés par le laps de temps ta, la filtration se poursuit en mode tangentiel. On peut alors envisager d'essayer de revenir en mode frontal, par exemple lorsque m rétrolavages consécutifs auront été déclenchés au bout du laps de temps té (avec m > n). Les possibilités de retour au mode de fonctionnement précédent seront déterminées cas par cas selon les variations prévisibles de la qualité de l'eau à traiter, la capacité de production de l'installation, le volume de la bache réservoir, etc, en tenant compte que à l'arrêt de la ligne de production et après un rétrolavage, l'automate remettra l'appareil en mode de filtration frontale. On peut résumer un cycle de fonctionnement préféré selon le tableau ci-dessous. Rétrolavage déclenché par tl pl pl ta ( 2 fois successives) p 2 ( 2 fois en moins de ta) p 2 t 2 (n fois) t 2 t 2 (m fois) ti Node de filtration frontal frontal passage au mode tangentiel tangentiel tangentiel passage au mode tangentiel avec purge tangentiel avec purge retour au mode tangentiel simple tangentiel retour au mode frontal (optionnel) frontal m > n ta REVENDICATIONS 1 Procédé de commande des modes de f onctionnement d'un appareil automatique de filtration d'eau comprenant des modules de membranes tubulaires de filtration d'eau à peau interne, les modes de filtration possibles étant la filtration frontale, la filtration tangentielle (avec recirculation dans une boucle) et la filtration tangentielle avec purge continue, caractérisé en ce qu'on prévoit deux types de déclenchement des rétrolavages des membranes de filtration, le premier étant lié à des laps de temps, prédéterminés pour chaque mode de filtration, entre deux rétrolavages et le second étant lié à des valeurs de consigne, prédéterminées pour chaque mode de filtration, d'un paramètre de fonctionnement de l'appareil automatique; et on modifie le mode de filtration après qu'un rétrolavage lié à une des valeurs de consigne a été déclenché, la modification se faisant dans l'ordre: filtration frontale, filtration tangentielle, filtration tangentielle avec purge continue, ou en sens inverse. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on passe du mode de filtration frontale au mode de filtration tangentielle par mise en route de la boucle de recirculation après qu'un rétrolavage a été déclenché au moins une fois par atteinte d'une première valeur de consigne, et on passe au mode de filtration tangentielle avec purge continue par ouverture d'une vanne de purge après que l'intervalle de temps entre deux rétrolavages déclenchés par atteinte d'une deuxième valeur de il consigne est devenu inférieur à un laps de temps prédéterminé. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on passe du mode de filtration tangentielle avec purge au mode de filtration tangentielle lorsque n rétrolavages consécutifs ont été déclenchés au bout du laps de temps prédéterminé pour la filtration tangentielle, et on passe du mode de filtration tangentielle au mode de filtration frontale lorsque m rétrolavages consécutifs ont été déclenchés au bout du laps de temps prédéterminé pour la filtration tangentielle, avec m>n. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la ou les valeurs de consigne sont les pressions d'entrée dans les modules correspondant aux pressions transmembranaires maximum en filtration frontale et en filtration tangentielle. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, après arrêt du fonctionnement des modules, on effectue un rétrolavage et on prévoit le redémarrage des modules en mode de filtration frontale.