Brevet FR2679464A1 — publié le 19930129

Module de filtration, notamment pour le traitement des eaux. Le domaine de l'invention est celui des installations de filtration et d'épuration de liquides, notamment pour le traitement des eaux. L'installation de filtration de l'invention s'applique plus particulièrement, mais de façon non exhaustive, au traitement des eaux du type susceptible de présenter une grande variabilité de qualité, notamment aux eaux de surface ou de caractéristiques équivalentes Toutefois, l'homme du métier pourra envisager d'en utiliser le principe pour la filtration des eaux usées ou brutes à d'autres étapes de la chaîne d'épuration, ou encore pour la filtration d'autres liquides. Le traitement des eaux de surface est mis en oeuvre tant pour clarifier des eaux d'écoulement ou de rejet alimentant un réservoir naturel (nappes, fleuves et rivières,), que pour assurer directement la distribution d'eaux de consommation. Compte tenu des normes aujourd'hui en vigueur, le traitement a les objectifs principaux suivants: éliminer les matières en suspension, éliminer les matières organiques, éliminer les ions indésirables, stériliser. Parmi les polluants organiques et/ou ioniques à éliminer, on trouve des hydrocarbures, ainsi que certains composés organohalogénés Une circulaire de la Direction Générale de la Santé adressée aux préfets de région et de département en date du 16 mai 1989 souligne ainsi que la présence de composés organohalogé- nés volatils a été mise en évidence à partir des années 70 dans les eaux traitées destinées à la consommation humaine Du trichloréthylène a aussi été identifié dans des nappes Selon cette circulaire, les travaux menés dans différents pays, notamment en France, pour mieux connaître ces produits et les risques associés ont abouti à l'élaboration de normes et recommandations: la directive CEE 80/778 du 15 juillet 1980 du Conseil des Communautés Européennes comporte une recommandation générale présentée sous la forme "autres composés organochlorés ne relevant pas du paramètre na 55: niveau guide 1 microgramme par litre; la concentration en haloformes doit être réduite dans toute la mesure du possible". les dispositions publiées en 1984 par l'Organisation Mondiale de la Santé sur la qualité des eaux destinées à la consommation humaine comportent des valeurs guides devant permettre aux etats Membres de fixer des teneurs limites nationales pour certains produits. Selon l'Organisation Mondiale de la Santé, les valeurs suivantes sont notamment recommandées comme concentrations limites de ces produits dans les eaux destinées à la consommation humaine: tétrachlorure de carbone: 3 microgrammes par litre 1,2 dichloroéthane: 10 microgrammes par litre tétrachloroéthylène: 10 microgrammes par litre trichoréthylène: 30 microgrammes par litre chloroforme: 30 microgrammes par litre chlorométhane: 30 microgrammes par litre Une chaîne de traitement classique comprend la plupart du temps une succession d'étapes physico-chimiques du type coagulationfloculation/décantation/- filtration (notamment filtration sur sable). A la suite de l'opération de filtration, l'eau est ensuite classiquement débarrassée des micro-organismes pathogènes, des micropolluants, des métaux lourds à l'état de trace, et des mauvais goûts et saveurs à l'aide d'oxydants (ozone, chlore) ou de rayonnements (U V), couplés généralement à un traitement d'affinage au charbon actif en grains ou en poudre. Pour l'élimination des micropolluants, il existe également d'autres traitements particuliers, tels que par exemple le stripping (aération forcée) ou encore le filtrage dans un sable formé de billes de résine chargées électriquement, jouant le rôle de capteurs d'ions Ces sables présentent un grand intérêt pour l'adoucissement de l'eau (décarbonatation, désulfatation,) mais sont peu efficaces vis-à-vis par exemple des chlorures, ou encore des matières organiques. On connaît également des modules de filtration réalisés à l'aide de membranes, à savoir: les membranes de microfiltration, les membranes d'ultra filtration, les membranes de nanofiltration, les membranes d'osmose inverse. La membrane de nanofiltration est définie par exemple comme une membrane ayant un pouvoir de coupure permettant de retenir la micropollution organique (pouvoir de coupure (rejet à plus de 95 %) de l'ordre de 1 nm à 10 nm environ, 1 mn correspondant à des poids moléculaires de l'ordre de 200 environ); les membranes d'osmose inverse permettent de retenir les ions (pouvoir de coupure de 100 à 1 nm environ). Ces membranes sont généralement utilisées indépendamment l'une de l'autre, un seul type de membrane étant utilisé dans une installation de filtration donnée. L'invention présente une nouvelle configuration pour une installation de filtration, permettant d'utiliser plusieurs types de membranes dans la même installation. Selon l'invention, la nouvelle configuration de module de filtration est constituée d'une première membrane présentant un premier pouvoir de coupure, couplée à au moins une seconde membrane présentant un second pouvoir de coupure supérieur audit premier pouvoir de coupure, ladite seconde membrane étant montée en "série-rejet" en aval de ladite première membrane, le filtrat général produit par ledit module de filtration étant formé par la conjonction des filtrats issus de l'ensemble desdites membranes. Avantageusement, ladite première membrane est une membrane de nanofiltration, présentant un pouvoir de coupure de l'ordre de 200-300 (poids moléculaire), avantageusement utilisée à faible pression, de l'ordre de 4 à 30 bar, préférentiellement 5 à 10 bar. Préférentiellement, ladite seconde membrane est une membrane d'osmose inverse. Selon d'autres variantes de l'invention, lesdites première et seconde membrane appartiennent au groupe comprenant les membranes de microfiltration, d'ultrafiltration, de nanofiltration et d'osmose inverse. L'invention s'applique notamment avantageusement à une chaîne de traitement des eaux de surface à barrière de sécurité, telles que décrites dans la demande de brevet française principale dont est issue la présente demande de brevet divisionnaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention donné à titre illustratif et non limitatif et de la figure unique annexée schématisant un mode de réalisation particulier du module de filtration de l'invention, constitué d'une membrane de nanofiltration associée à deux membranes d'osmose inverse en série-rejet. Comme représenté sur la figure, l'agencement de l'invention consiste à utiliser une membrane de nanofiltration tangentielle, formant un premier étage de filtration, et à la faire suivre d'au moins une membrane d'osmose inverse montée en "série-rejet" en aval de ladite membrane de nanofiltration Le filtrat issu de la barrière de sécurité est ensuite constitué de la jonction des filtrats issus de l'ensemble des membranes de nanofiltration et d'osmose inverse. Plus précisément, dans le mode de réalisation représenté, une membrane de nanofiltration 61 reçoit en entrée une eau à traiter 60, et fournit un filtrat 62 et un concentrat 63 Le concentrat 63 est pompé à l'aide de la pompe 64 en direction d'une première membrane d'osmose inverse 71, qui fournit un filtrat 72 et un concentrat 73 Le concentrat 73 est à son tour dirigé vers une seconde membrane d'osmose inverse 81, produisant un filtrat 82 et un concentrat 83. La barrière de sécurité ainsi constituée fournit un filtrat total 90 constitué de la conjonction des filtrats 62, 72 et 82 provenant des membranes 61, 71 et 81. Le concentrat général 83 est évacué par exemple vers une unité de traitement ultérieur. La membrane de nanofiltration 61 est du type présenté plus haut Les membranes d'osmose inverse 71 et 81 peuvent avantageusement être du même principe général de constitution que la membrane de nanofiltration 61, mais avec des caractéristiques mécaniques et un pouvoir de coupure permettant un fonctionnement osmotique plus poussé. La membrane de nanofiltration est définie par exemple comme une membrane ayant un pouvoir de coupure permettant de retenir la micropollution organique (pouvoir de coupure (rejet à plus de 95 %) de l'ordre de 1 nm à 10 nm environ, 1 nm correspondant à des poids moléculaires de l'ordre de 200 environ); les membranes d'osmose inverse permettent de retenir les ions (pouvoir de coupure de 100 à 1 nm environ). Toutefois, plus généralement, l'agencement de la figure annexée convient dans la mesure o le premier étage 61 présente un pouvoir de coupure inférieur aux étages suivants 71, 81. L'agencement ainsi présenté comporte un premier avantage sous l'angle des pressions d'alimentation La membrane de nanofiltration 61 est par exemple alimentée sous 8 bar environ Du fait des pertes de charge dans la chambre d'alimentation de la membrane 61, le concentrat 63 se trouve à une pression un peu inférieure, par exemple de l'ordre de 6,5 bar Pour monter la pression du concentrat jusqu'à une valeur compatible avec le traitement osmotique dans les membranes 71, 81, il suffit alors d'une pompe 64 induisant un différentiel de pression de 8,5 bar environ pour atteindre les 15 bar environ nécessaires à l'osmose inverse. On réalise ainsi une économie d'énergie électrique du fait de la récupéra- tion de l'énergie hydraulique du concentrat 63 de l'étage de nanofiltration 61. Cet agencement permet d'améliorer le rendement d'élimination des micropolluants retenus dans ce type de membrane Ainsi, si on prend le cas des pesticides (atrazine,) ou du fluor, dont le taux d'abattement est d'environ 60 % en nanofiltration, et si l'on considère que chacune des membranes 61, 71, 81 présente un facteur de conversion de l'ordre de 50 % (cas de tubes à six éléments), on obtient successivement les débits et les concentrations en atrazine suivants: pour un débit 100 et une concentration en atrazine 100 en entrée de la membrane de nanofiltration 61, on obtient un filtrat 62 de débit 50 et de concentration 40, en appliquant une valeur de 50 % pour le facteur de conversion de l'étage, et une valeur de 60 % pour le taux d'abattement de l'atrazine; en entrée du second étage 71, le débit vaut également 50 (débit du concentrat 63), et la concentration en atrazine est montée à 160 Si l'on considère un taux d'abattement de l'atrazine de l'ordre de 95 % sur l'ensemble des deux étages de membranes d'osmose inverse 71 et 81, avec un facteur de conversion global de l'ordre de 75 %, on obtient un filtrat global 70 de débit 37,5, et de concentration 8 Le concentrat général 83 présente un débit de 12,5. La conjonction du filtrat 62 de la membrane de nanofiltration 61, et du filtrat 70 des deux étages d'osmose inverse 71, 81 fournit alors un filtrat général 90 de débit 87,5, avec une concentration en atrazine valant 27. En d'autres termes, on a réalisé une barrière de sécurité présentant un facteur de conversion global de 87,5 %, avec un taux d'abattement d'atrazine de 73 %, ce qui correspond à une amélioration de près de 22 % du taux d'abattement par rapport à l'utilisation d'un étage unique de nanofiltration 61. Cette configuration est également avantageuse par rapport à une technique consistant à n'utiliser que l'osmose inverse En effet, l'agencement de la figure annexée permet de ne pas trop déminéraliser le perméat, du fait de la présence du filtrat de nanofiltration 62. En outre, cet agencement permet d'optimiser l'étage de nanofiltration 61, en lui conférant un faible taux de conversion, ce qui permet d'améliorer le taux d'abattement des micropolluants Le fait de prévoir une nanofiltration sur un seul étage permet également d'ajuster la pression d'alimentation à la valeur juste nécessaire pour l'étage, et non pas pour l'alimentation d'autres étages De même, le fait de prévoir deux étages 71, 81 d'osmose inverse permet de les alimenter à l'aide d'une pompe complémentaire 64 unique. Enfin, le traitement ainsi réalisé permettra généralement d'éviter un post- traitement final (classiquement H 202 et/ou 03 et/ou CAG), du fait de l'améliora- tion du taux d'abattement. Au total, le nouveau module de filtration ainsi présenté ne correspond plus ni à de la nanofiltration, ni à de losmose inverse, mais à une technique séparative intermédiaire. Dans tous les cas, le perméat est de qualité au moins égale à celui résultant d'une simple opération de nanofiltration. Pour faire travailler les membranes de nanofiltration dans de bonnes conditions, il est important de donner un objectif de qualité stricte à l'installation de prétraitement située en amont Notamment, au moins l'une des deux conditions suivantes doit avantageusement être respectée, en régime courant: le colmatage (fouling) doit être inférieur à 3 environ (Silt Density Index Index de Densité de Dépôt); ce critère est le critère principal; la turbidité de l'eau en entrée de la membrane doit être inférieure à 0,3 environ (Nephelometry Turbidity Unit: Unité de Turbidité Néphélométrique). Ceci suppose de maîtriser correctement le prétraitement Le colmatage de membrane est en effet notamment causé par des particules et des composants collo Tdaux, qui se concentrent à la surface de la membrane, et ne peuvent être éliminés que par nettoyage chimique. Les membranes de nanofiltration sont par exemple vendues sous la dénomination FILMTEC (marque déposée) par la société américaine Dow Chemical A titre d'exemple, les références NF 40, ou encore NF 70 sont utilisables. Un type de membrane utilisable dans l'invention est aussi notamment décrit dans les documents de brevet des Etats-Unis d'Amérique USP 4259183, USP 4765847 et USP 4824574. Ce type de membrane, lorsqu'il est utilisé pour mettre en oeuvre des procédés d'osmose inverse, est utilisé sous des pressions relativement importantes (de l'ordre de 30 bar) Une application classique est le désalage d'eau de mer, l'objectif étant principalement de filtrer les composantes à traiter. Ces membranes sont généralement chargées électriquement négativement et jouent un rôle répulsif vis-à-vis des cations contenus dans le liquide à traiter. Le module de filtration dela figure annexée permet également par exemple de lutter contre la micropollution radioactive. La pollution radioactive, notamment la pollution par le radon, est essentiellement concentrée sur les colloides En conséquence, une membrane de nanofiltration utilisée comme barrière de sécurité constitue une protection efficace, par rétention des particules radioactives Ce procédé est notamment beaucoup plus sûr que la filtration par Charbon Actif en Grains, qui relargue lentement la pollution radioactive après avoir joué le rôle de barrière. Une autre application spécifique avantageuse est l'élimination de carbone organique dissous biodégradable Dans les traitement classiques par la filière ozone- charbon, la lutte contre la pollution organique s'organise de la façon suivante: l'ozone casse les grosses molécules organiques, et le Charbon Actif en Grains retient les chames moléculaires résultantes Toutefois, il reste toujours du carbone organique résiduel en sortie de filière L'utilisation d'une membrane de nanofiltra- tion constitue une barrière de sécurité efficace pour la rétention de ce carbone organique résiduel. Des essais comparatifs ont été menés, et ont fourni les résultats présentés ci-après. PRETR Ar IEMENT PAR TRAITEMENT COMPLE- FILTRATION SUR SABLE MENTAIRE PAR NANOFILTRATION COD total du filtrat 2,9 0,3 (mg/l) dont: COD Biodégradable en 0,6 mg/l de COD biodégradable (analysé par test spécifique de biodégradabili- té), et 2,3 mg/1 de COD réfractaire (non biodégradable). La même eau a ensuite subi un traitement complémentaire de nanofiltra- tion Le COD total en sortie de nanofiltration a baissé considérablement ( 0,3 mg/l), avec une disparition totale de COD biodégradable ( de l'installation. REVENDICATIONS 1 Module de filtration caractérisé en ce qu'il est constitué d'une première membrane ( 61) présentant un premier pouvoir de coupure, couplée à au moins une seconde membrane ( 71, 81) présentant un second pouvoir de coupure supérieur audit premier pouvoir de coupure, ladite seconde membrane ( 71, 81) étant montée en "série-rejet" en aval de ladite première membrane 61, le filtrat général ( 90) produit par ledit module de filtration formé par la conjonction des filtrats ( 62, 70) issus de l'ensemble desdites membranes ( 61, 71, 81). 2 Module de filtration selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites première et seconde membranes apparatiennent au groupe comprenant les membranes de microfiltration, d'ultrafiltration, de nanofiltration et d'osmose inverse. 3 Module de filtration selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite première membrane est une membrane de nanofiltration et ladite seconde membrane est une membrane d'osmose inverse. 4 Module de filtration selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite membrane de nanofiltration ( 61) est utilisée à faible pression, de 4 à 30 bar, préférentiellement 5 à 10 bar. Module de filtration selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite membrane d'osmose inverse est utilisée à une pression de l'ordre de 15 à 30 bar. 6 Module de filtration selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'une pompe ( 64) induisant un différentiel de pression est intercalée entre ladite première membrane ( 61) et ladite seconde membrane ( 71, 81).