Brevet FR2697446A1 — publié le 19940506

L'invention concerne un procédé de traitement d'un fluide contenant des matières en suspension et/ou en solution, par utilisation de membranes de séparation, et notamment un procédé de traitement d'eau brute en vue de la rendre potable. Des procédés de traitement d'eau brute en vue de la rendre potable ont été mis au point depuis quelques années avec utilisation de membranes de séparation. L'eau d'alimentation est injectée sous pression dans des modules de séparation, le plus souvent constitués par des faisceaux de membranes tubulaires (fibres creuses notamment) de nanofiltration, microfiltration, ultrafiltration et osmose inverse. Les modules peuvent fonctionner en mode frontal dans lequel la totalité de l'eau å traiter passe à travers les membranes et est épurée, ou en mode tangentiel dans lequel seule une partie de l'eau à traiter passe à travers les membranes tandis que l'autre ne traversant pas les membranes est recyclée (boucle de filtration > . Dans l'un et l'autre cas, les matières en suspension s'accumulent du côté séparation des membranes et peuvent finir par la colmater.Il est donc indispensable de prévoir un rétrolavage périodique de ces membranes par injection, à l'encontre du sens de traitement, d'un fluide de rétrolavage qui décolle les matières déposées sur les membranes et les entraîne. Il est souvent avantageux d'utiliser comme fluide de rétrolavage de l'eau traitée précédemment. Pour améliorer le rétrolavage, il est connu d'ajouter au fluide de rétrolavage des adjuvants qui, grâce à des actions physico-chimiques sur le dépôt accumulé sur les membranes qui ne sont pas toujours totalement élucidées à l'heure actuelle, favorisent le détachement du dépôt tout en lui gardant une certaine cohésion (fragmentation limitée). Les oxydants du type chlore sont connus à cet effet. Par ailleurs on a trouvé que l'addition à l'eau d'alimentation d'un adjuvant susceptible d'adsorber des matières en solution qui ne seraient pas arrêtées par les membranes est avantageuse. Un produit couramment utilisé dans le traitement de l'eau est le charbon actif. Dans la séparation sur membranes, on utilise du charbon actif en poudre qui fournit dans certains cas l'avantage d'augmenter les flux de filtration d'une façon appréciable environ 30 à 40%), peut-être par son action abrasive sur le dépôt formé sur les membranes Lors d'un rétrolavage, l'eau additionnée de chlore traversant les membranes en sens inverse du sens de traitement entraîne le mélange de charbon actif et de matières déposées sur les membranes ainsi que le charbon actif en poudre en suspension dans l'eau en contact avec les matières déposées, et l'eau recueillie au cours du rétrolavage rejet de rétrolavage) contient entre autres les matières solides séparées, du charbon actif ayant adsorbé divers solutés, du chlore et des produits chlorés formés par l'action de ce dernier sur les produits en contact avec lui. A l'heure actuelle ou seuls sont traités de faibles débits, le rejet du rétrolavage est renvoyé au réseau d'eaux pluviales ou usées ou transporté vers une station d'épuration loin du site. Des risques écologiques et des pertes économiques (le rétrolavage consomme souvent 10% de l'eau traitée? peuvent en résulter lors de l'utilisation de la séparation sur membranes pour des installations de grande capacité de production. Il apparaît donc nécessaire de traiter le rejet du rétrolavage pour récupérer autant que possible d'eau réutilisable et un résidu concentré en matières solides dont on puisse disposer de manière écologique et économique. Les procédés classiques de traitement des eaux usées présentent les inconvénients d'être longs et complexes du fait de la composition des matières en suspension dans le rejet de rétrolavage et surtout d'aller à l'encontre du but recherché par l'utilisation de membranes de séparation, qui est de traiter l'eau en évitant de produire des rejets contenant des produits chimiques ou leurs produits de réaction. L'invention résoud le problème en fournissant un procédé de traitement d'un fluide contenant des matières en suspension et/ou en solution, par utilisation de membranes de séparation, dans lequel on ajoute au fluide à traiter un adjuvant d'adsorption et/ou de filtration (adjuvant d'alimentation) et on ajoute au fluide de rétrolavage un adjuvant d'amélioration du rétrolavage (adjuvant de rétrolavage?, caractérisé en ce qu'on choisit un adjuvant de rétrolavage pouvant être neutralisé par l'adjuvant d'alimentation, on ménage au rejet de rétrolavage un temps de contact suffisant pour que cette neutralisation se fasse dans le rejet du rétrolavage, et on sépare le produit résultant en un produit résiduel concentré en matières solides et en un fluide que l'on recycle en tète. L'adjuvant d'alimentation peut être un adjuvant d'adsorption des matières dissoutes ou un adjuvant améliorant la filtration des matières en suspension, ou encore un adjuvant jouant simultanément ces deux rôles, comme c'est le cas du charbon actif, ou bien on peut utiliser deux ou plusieurs adjuvants distincts. Cet adjuvant doit nécessairement être incapable de traverser les membranes de séparation pour ne pas contaminer le fluide traité (perméat > . L'adjuvant de rétrolavage est utilisé essentiellement pour favoriser le détachement du dépôt en agissant sur les liaisons chimiques qui se sont formées entre la membrane et le dépôt d'une part et en fragmentant partiellement le dépôt d'autre part. Cet adjuvant doit passer à travers la membrane puisqu'il est injecté du côté de la membrane ne comportant pas de dépôt. Les oxydants, et en particulier le chlore, conviennent à cet égard. De tels produits ayant une action nuisible sur l'environnement, il faut éviter de les rejeter tels quels dans la nature et on choisit le couple adjuvant d'alimentation/agent de rétrolavage de manière que l'adjuvant de rétrolavage puisse être neutralisé par l'adjuvant d'alimentation. Les termes "neutralisé" et "neutralisation" s'entendent au sens de la présente demande comme désignant une action de destruction, d'élimination ou d'inhibition de l'adjuvant de rétrolavage par voie chimique et/ou physique, en fait toute action qui permette le recyclage de l'eau. Dans le cas du couple charbon activé en poudre/chlore, le charbon activé présent dans le module de séparation a adsorbé des matières dissoutes mais son temps de séjour y est trop court pour qu'il soit saturé. C'est sa capacité résiduelle d'adsorption qui permet de neutraliser ou "piéger" le chlore du fluide de rétrolavage. Le rejet de rétrolavage est maintenu sans séparation pendant un temps suffisant pour permettre à l'adjuvant d'alimentation de neutraliser l'adjuvant de rétrolavage. Ce maintien peut s'effectuer avec ou sans agitation. Les rétrolavages sont effectués de manière périodique en des temps courts par rapport aux temps de filtration, mais avec des débits relativement importants (pouvant aller jusqu'à 10% de l'eau traitée dans le cycle de filtration précédent). Or on constate de manière surprenante que l'intervalle de temps habituel entre deux rétrolavages, de l'ordre de 30 mn généralement, suffit pour que se fasse la neutralisation entre l'adjuvant d'alimentation et l'adjuvant de rétrolavage. Dans le cas particulier du couple charbon actif en poudre/chlore, l'adsorption du chlore par le charbon se fait en moins de 20 minutes. Il est donc possible de stocker les rejets successifs de rétrolavage et de les séparer en continu dans des installations de taille réduite.Du fait que les matières séparées de l'eau à traiter se présentent sous forme relativement cohérente, on peut séparer facilement le rejet neutralisé en un résidu concentré en matières solides et en eau débarrassée de l'adjuvant de rétrolavage, de l'adjuvant d'alimentation et de suffisamment de dépôt de matières pour pouvoir être recyclée en tète de l'installation afin d'être renvoyée au module de séparation à membranes. Cette séparation en eau et résidu se fait de préférence par des moyens purement mécaniques sans aucune adjonction d'additifs (épaississants, floculants > . De tels moyens sont par exemple la décantation, la centrifugation et de préférence la filtration. Tous moyens appropriés ne nécessitant pas l'adjonction d'ingrédients supplémentaires sont en fait utilisables. Bien entendu, si cela s'avérait indispensable dans certains cas, certains ingrédients améliorant la séparation pourraient être ajoutés dans le cadre de la présente invention. Certains dispositifs de filtration connus permettent d'obtenir un résidu concentré bien déshydraté. Dans le cas de la présente invention, ce résidu contient une teneur relativement importante de charbon actif en poudre (non régénérable, à l'inverse du charbon actif en granulés) et présente donc une valeur énergétique certaine permettant de brûler, après éventuellement une dêshydration supplémentaire, le résidu obtenu avec un rendement intéressant. L'eau séparée est alors suffisamment épurée pour pouvoir, généralement sans déconcentration ou purge, être recyclée au module de séparation par membrane.On considère que le pourcentage d'eau de rétrolavage perdue ne s'élève alors qu'à 1 à 3% de l'eau traitée, avec obtention d'un résidu intéressant au point de vue énergétique et avec maintien des caractéristiques écologiques du traitement de l'eau par des membranes de séparation. L'invention fournit aussi des dispositifs de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, qui seront décrits en détail ci-après et qui comportent en aval des dispositifs classiques de traitement par membranes de séparation un dispositif de traitement du rejet de rétrolavage selon l'invention. Un tel dispositif de traitement peut être constitué de deux éléments distincts, l'un servant å la neutralisation du rejet et l'autre à la séparation proprement dite. Il peut aussi être constitué d'un seul dispositif dans lequel le temps de séjour nécessaire à la séparation permet la neutralisation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante faite en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 montre l'adsorption du chlore (adjuvant de rétrolavage) par le charbon actif (adjuvant d'alimentation) après le rétrolavage, la figure 2 est un schéma d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention avec neutralisation et séparation dans deux dispositifs distincts et la figure 3 est un schéma similaire à celui de la figure 2 avec neutralisation et séparation dans un seul dispositif. On va d'abord décrire brièvement une installation classique de traitement d'eau avec des membranes de séparation. Cette installation est commune aux figures 2 et 3 et les mêmes numéros de référence se rapportent aux mêmes éléments. De l'eau brute est amenée par la conduite 1 dans une bâche ou réservoir 2 d'alimentation où on injecte aussi du charbon actif en poudre . Le charbon actif peut également être injecté directement dans la boucle de séparation. Une pompe Po l'envoie sous pression par la conduite 2a dans un module de séparation 3 équipé de membranes de microfiltration, d'ultrafiltration, de nanofiltration ou d'osmose inverse.L'eau filtrée ou perméat est envoyée par la conduite 4 dans une bâche 5 de collecte de perméat, la conduite 4 étant munie d'une vanne Va. L'eau sortant du module de séparation dans la conduite 6 sans être passée au travers des membranes est renvoyée au module 3 grâce à la pompe de recirculation Pl. La conduite 6 comporte une vanne Vl normalement ouverte lorsqu'on fonctionne en mode tangentiel; sa fermeture et l'arrêt de la pompe P1 permettent le fonctionnement en mode frontal. Le dispositif de rétrolavage comporte une pompe P2 et une vanne Va dont la mise en route et l'ouverture respectivement injectent de l'eau provenant de la bâche de perméat 5 à l'inverse du sens de traitement. Du chlore est prélevé d'un réservoir 7 par une pompe P3 lors des rétrolavages Pendant les rétrolavages, la vanne Vl est fermée et le rejet de rétrolavage est amené par la conduite 8 vers un traitement intérieur. La conduite 8 est munie d'une vanne V2 ouverte pendant le rétrolavage et fermée pendant le cycle de séparation. Dans le cas de la figure 2, la conduite 8 amène le rejet de rétrolavage dans une bâche 9 de collecte du rejet. Après un temps de séjour suffisant pour la neutralisation de l'adjuvant de rétrolavge par l'adjuvant d'alimentation, ici adsorption du chlore par le charbon actif, une pompe Po envoie le rejet dans une conduite 10 aboutissant à un dispositif de séparation mécanique 11, par exemple un filtre ou un décanteur. L'eau séparée est renvoyée par une conduite 12 à la bâche d'alimentation 2. Le résidu concentré en matières solides est envoyé par la conduite 13 dans une bâche de collecte 14. Une vanne Vs permet la collecte continue ou discontinue de ce résidu selon le type et le fonctionnement du dispositif 11. Une conduite 15 équipée d'une vanne Vs peut être prévue pour déconcentrer ou purger une partie de l'eau séparée du rejet de rétrolavage. Une vanne V7 est alors montée dans la conduite 12 et est fermée lorsque Vs est ouverte et vice versa. Dans le cas de la figure 3, la conduite 8 amène directement le rejet de rétrolavage dans un dispositif 16 où s'effectuent simultanément la neutralisation et la séparation, avec un temps de séjour suffisant pour la neutralisation. Le dispositif 16 est alors généralement du type à décantation, mais d'autres dispositifs peuvent être envisagés. Le temps de séjour dans la bâche de collecte 9 du rejet (figure 2 > ou dans le dispositif de séparation 16 (figure 3) tient compte du temps d'adsorption du chlore par le charbon actif. Les essais effectués ont montré que pour une injection de 5 ppm de chlore dans l'eau de rétrolavage, on en retrouve de l'ordre de 3 ppm dans l'eau à l'arrivée du rejet dans la bâche de collecte 9 ou dans le dispositif 16 et qu'au bout de 20 mn, sa teneur dans l'eau devient non déterminable (moins de 0,02 ppm). La figure 1 illustre cette adsorption. Dans les deux cas, le résidu recueilli dans la bâche 14 peut avantageusement être brûlé, éventuellement après une déshydration supplémentaire. Exemple On utilise le dispositif de séparation par membrane d'ultrafiltration avec un module LEB 35 (AQUASOURCB > de la figure 1, avec un débit d'alimentation de 10 m3/h et adjonction de 10 gf m3 de charbon actif en poudre (GAP). On utilise par exemple du CAP de marque NORIT type W 35 (granulométrie de 10 à 150 pu). La périodicité des rétrolavages est de 1 rétrolavage par heure. Dans l'eau de rétrolavage, on ajoute 5 ppm de chlore libre sous forme d'hypochloride de sodium. Dans ces conditions de fonctionnement, la perte en eau est de l'ordre de 10%. En utilisant le dispositif de traitement du rejet de rétrolavage selon la figure 1, on récupère les 10 constituant le rejet de rétrolavage et après un temps de séjour qui dépend du volume de la bâche mais est en pratique égal au temps séparant deux rétrolavages, on envoie le produit dans le dispositif de séparation, par exemple un filtre. On peut par exemple utiliser un filtre de type FUNDA @ permettant un séchage partiel avant décolmatage séquentiel du filtre. Le charbon actif en poudre est totalement arrêté et on constate qu'il n'y a plus de chlore libre ni de produits chlorés dans l'eau résiduelle Cl'adsorption se fait en 20 mn environ - cf. figure 1). Le filtrat (eau débarrassée du CAP, du chlore, des produits chlorés et d'une grande partie des matières solides) est recyclé à la bâche d'alimentation en tête de l'installation. La perte en eau est alors d'environ 3%. On peut en améliorant les conditions de filtration s'attendre à réduire encore la perte en eau. Selon la variante de la figure 3, on envoie le rejet de rétrolavage directement dans un dispositif de contact/séparation, par exemple un décanteur, dans lequel s'effectuent simultanément grâce à un temps de séjour suffisant, l'adsorption du chlore par la capacité résiduelle du CAP et la séparation entre résidu concentré en matières solides et en eau recyclable en tête. Il est également possible de traiter le rejet de rétrolavage, selon des processus connus, par séparation sur membranes en un ou plusieurs étages avant de l'envoyer au dispositif de traitement selon la présente invention. De tels étages de traitement par membranes sont similaires au dispositif de traitement par membranes de l'eau brute qui peut lui-méme comporter un ou plusieurs étages, ou un ou plusieurs modules de séparation en série. Bien que la description précédente ait été faite essentiellement avec référence au traitement d'eau brute et à l'utilisation du couple charbon actif en poudre/chlore, il est entendu que l'invention peut s'appliquer à d'autres fluides et à d'autres couples adjuvant d'alimentationZadJuvant de rétrolavage. RBVRNDICATIONS 1.- Procédé de traitement d'un fluide contenant des matières en suspension et/ou en solution, par utilisation de membranes de séparation, procédé dans lequel on ajoute au fluide à traiter un adjuvant d'adsorption etfou de filtration (adJuvant d'alimentation) et on ajoute au fluide de rétrolavage des membranes un adjuvant d'amélioration du rétrolavage (adjuvant de rétrolavage), caractérisé en ce qu'on choisît un adjuvant de rétrolavage pouvant être neutralisé par l'adjuvant d'alimentation, on ménage au rejet de rétrolavage un temps de contact suffisant pour que cette neutralisation se fasse dans ledit rejet et on sépare le produit résultant en un produit résiduel concentré en matières solides et en un fluide que l'on recycle en tête. 2.- Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séparation en produit résiduel et en fluide est effectuée par des moyens purement physiques, sans ajout d'additifs. 3.- Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'adjuvant d'alimentation est du charbon activé en poudre et que l'adjuvant de rétrolavage est un oxydant. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'oxydant est le chlore. 5.- Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 4, comportant une alimentation en fluide à traiter ~1,2A, une conduite (2a) équipée d'une pompe (P@) envoyant le fluide à traiter dans un module de séparation (3A, un dispositif d'injection d'adjuvant d'alimentation, avec éventuellement recyclage du fluide non traité par une conduite (6) grâce à une pompe de recirculation , un ensemble de rétrolavage comportant une pompe (Pz) prélevant le perméat recueilli dans une bâche de collecte et un dispositif d'adjonction d'adjuvant de rétrolavage (7, P3), caractérisé en ce que le rejet de rétrolavage est envoyé à une bâche de collecte (9) d'où il est prélevé par une pompe (Po) par une conduite (10) vers un dispositif de séparation (11) d'où sort par la conduite et d'où sort par la conduite (12) un fluide renvoyé à l'alimentation C1,2). 6.- Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 4, comportant une alimentation en fluide à traiter @1,2@, une conduite (2a > équipée d'une pompe (PO) envoyant le fluide à traiter dans un module de séparation @3@, un dispositif d'injection d'adjuvant d'alimentation, avec éventuellement recyclage du fluide non traité par une conduite (6) grâce à une pompe de recirculation ) prélevant le perméat recueilli dans une bâche de collecte (5) et un dispositif d'adjonction d'adjuvant de rétrolavage (7, P# > , caractérisé en ce que le rejet de rétrolavage est envoyé à un dispositif de contact/séparation (1(5 > où il séjourne pendant un temps suffisant pour donner un résidu concentré en matières solides envoyé dans une bâche (14) par la conduite (13 > et un fluide renvoyé par la conduite (12) à l'alimentation @1,2@.