Brevet FR2766811A1 — publié le 19990205

Procédé et dispositif pour le traitement des eaux de lavage e n provenance de sauces de couchage. L'invention concerne un procédé et un dispositif pour le traitement d'effluents de couchage entraînés par les eaux de lavage des installations de papeteries, lesquelles sont génératrices de pollution par la présence de matières organiques et minérales qui provoquent l'opacité de l'eau. Ces effluents de couchage renferment différentes sortes de pigments et de liants, notamment des carbonates, latex, et kaolin selon le type de sauce de couchage (offset mat, offset brillant, héliogramme). Ces effluents polluants sont très opaques, et doivent être traités avant leur rejet pour être en conformité avec les nouvelles normes de protection de l'environnement. Plusieurs procédés ont déjà été proposés pour traiter ces effluents, et récupérer les sauces de couchage sans additif chimique par floculation (voir document WO 91/1050). Le procédé par ultrafiltration tangentielle sur membrane permet de séparer les agents de pollution des effluents de couchage, et utilise généralement des membranes de filtration organique déposées sur la paroi interne d'un tube poreux. L'usage de membranes organiques présentent néanmoins deux inconvénients majeurs: elles ne résistent pas aux bases et acides de lavage lorsque l'installation doit être nettoyée, et une montée en concentration ( entre % et 50 % de matières sèches) provoque rapidement leur colmatage, avec l'arrêt obligatoire du fonctionnement de l'installation pour leur régénération. D'autres procédés proposent la séparation par cyclonage ou la centrifugation au moyen d'une centrifugeuse à assiettes. Aucun de ces procédés n'est efficace pour le traitement des sauces de couchage, car le cyclonage permet seulement la récupération de très grosses particules, tandis que le concentrat récupéré par la centrifugeuse risque d'être dilué dans le filtrat. Un premier objet de l'invention consiste à élaborer un procédé de traitement efficace pour récupérer les sauces de couchage contenues dans les eaux de lavage, et de les réutiliser pour éviter tous rejets polluants. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que: - on recupère les effluents de sauces de couchage à une concentration en matières sèches de l'ordre de 1,5 % à 3 % - on sépare les matières sèches en suspension dans les effluents au moyen d'un bac décanteur centrifuge pour obtenir un concentrat contenant principalement des pigments avec une concentration de matières sèches de l'ordre de 50 à 60 %, et un liquide surnageant renfermant les liants, notamment de l'amidon, du latex et des additifs dilués dans l'eau, - on introduit le liquide surnageant dans un dispositif d'ultrafiltration tangentielle pour séparer les matières sèches diluées dans l'eau au moyen d'une membrane ayant un pouvoir de coupure de 20 à 50 nanomètres, de manière à obtenir un perméat contenant de l'eau et des matières dissoutes de faibles poids moléculaires traversant la membrane, et un rétentat renfermant les matières en suspension des liants avec une concentration de 10 à 30 %, - on mélange ensuite le concentrat et le rétentat pour obtenir une sauce de couchage avec une concentration de l'ordre de 35% à 50 % susceptible d'être réintroduite dans les sauces fraîches à hauteur de 5 % à 15 % du débit de consommation. Un tel procédé combine deux techniques la centrifugation dans le bac décanteur centrifuge qui sépare au maximum les charges, et l'ultrafiltration qui retient les liants. Le liquide surnageant rentre à de faibles concentrations de l'ordre de 0,2 % à 0, 7 % dans les membranes d'ultrafiltration, et ne provoque pas le colmatage de ces dernières. Selon une caractéristique de l'invention, I'effluent subit une préfiltration avant l'arrivée dans le bac décanteur centrifuge pour éliminer les particules ou autres impuretés susceptibles d'affecter le recyclage des charges. La préfiltration est mise en oeuvre au moyen d'un filtre vibrant délivrant un effluent préfiltré envoyé dans une première cuve de récupération o il est soumis à une agitation permanente. Selon une autre caractéristique de l'invention, la membrane du dispositif d'ultrafiltration tangentielle possède un support céramique traversé en continu à débit constant par le liquide surnageant, lequel circule dans la boucle de tuyauterie à une vitesse prédéterminée assurant l'autonettoyage de la membrane céramique. La pression de filtration à travers la membrane est supérieure à un bar maximum par rapport à la pression de sortie du perméat pour éviter tout effet de colmatage de la membrane. La densité et le débit du mélange de la sauce de couchage récupérée sont ajustés au moyen d'un débitmètre massique et volumique coopérant avec une vanne de régulation insérée à la sortie des tuyauteries respectives du concentrat et du rétentat. Un deuxième objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif de traitement mettant en oeuvre le procédé décrit précédemment. Le dispositif de traitement des effluents contenus dans les eaux de lavage en provenance des sauces de couchage est caractérisé en ce qu'il comporte: - un bac décanteur centrifuge agencé pour séparer les matières en suspension dans I'effluent à traiter, et à récupérer les charges et pigments constituants le concentrat, - un dispositif à ultrafiltration à membrane céramique qui filtre le liquide surnageant issu du bac décanteur centrifuge pour retenir les liants constituant le rétentat, - et des moyens pour mélanger le concentrat et le rétentat selon une densité et un débit prédéterminés. Selon un mode de réalisation préférentiel, le bac décanteur centrifuge comporte un bol de centrifugation destiné à délivrer le liquide surnageant, et une vis d'extraction tronconique pour l'évacuation du concentrat vers un bac d'homogénéisation, le bol centrifuge et la vis d'extraction tournant à des vitesses de rotation différentes pour ajuster la concentration du concentrat. Le dispositif à ultrafiltration comprend une boucle de tuyauterie équipée d'une pompe de circulation du liquide surnageant, d'au moins un module de filtration tangentielle ayant une membrane à support céramique, dotée d'un pouvoir de coupure de 20 nanomètres, et de moyens pour faire circuler le liquide surnageant dans la boucle de tuyauterie avec une vitesse de l'ordre de m/s pour assurer un autonettoyage de la membrane. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon I'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique du dispositif de traitement selon l'invention; - la figure 2 montre une vue de détail du bac décanteur centrifuge utilisé avant l'opération d'ultrafiltration. L'invention décrite en référence aux figures 1 et 2, a pour but de récupérer les sauces de couchage contenues dans les eaux de lavage et de les réutiliser pour éviter tous rejets polluants. L'épuration s'effectue en deux étapes au cours desquelles les effluents passent d'abord dans un bac décanteur centrifuge permettant de séparer les matières en suspension, et de récupérer les charges, présentes, puis dans un système d'ultrafiltration à membrane céramique qui filtre toutes les particules de poids moléculaire moyen de manière à retenir les liants. La première étape du procédé est la séparation des matières sèches en suspension dans les effluents. La séparation intervient au moyen d'un bac décanteur centrifuge 10 alimenté avec un effluent de 1,5% à 3 % de concentration contenu dans une cuve de stockage 12 ayant environ une capacité variable selon le débit horaire. Si la concentration des effluents prélevés est supérieure à 1,5 % à 3 %, on procédera au préalable à une dilution appropriée dans la cuve de stockage 12. Pour éviter l'apport d'éléments indésirables dans la couche, une préfiltration est effectuée à l'aide d'un filtre vibrant 14 connecté à la sortie de la cuve de stockage 12. Cette préfiltration avant l'arrivée dans le bac décanteur centrifuge 10 permet d'éliminer les fibres, particules de couches sèches, grains de sable, et toutes autres impuretés susceptibles d'affecter le recyclage des charges. L'effluent préfiltré dans le filtre vibrant 14 est ensuite envoyé dans une première cuve de récupération 16 o il est soumis à une agitation permanente pour mélanger les différents effluents pouvant présenter des concentrations différentes. Une pompe 18 est branchée en sortie de la cuve de récupération 16 dans un circuit de bouclage pour faire varier le débit d'effluent à l'entrée du bac décanteur centrifuge 10. La suspension d'effluent à l'intérieur du bac décanteur centrifuge 10 se trouve centrifugé dans un rotor 22 pour accélérer la sédimentation de particules solides que l'on souhaite séparer d'un liquide. Le rotor 22 comporte un bol de centrifugation 24 et une vis d'extraction 26 tournant à haute vitesse, la vis 26 légèrement moins vite que le bol 24. La centrifugation s'opère dans le bol 24, et la vis 26 tronconique évacue le solide décanté vers la sortie 28. Suivant les vitesses plus ou moins rapides du bol 24 et de la vis 26, le concentrat sortira plus ou moins concentré. De préférence la concentration recherchée est située entre 50 % et 60 % de matières sèches. Le concentrat à la sortie 28 est ensuite introduit dans un bac d'homogénéisation 30 avec agitation rapide pour homogénéiser la sauce concentrée, laquelle contient principalement des pigments (kaolin carbonate - titane - blanc satin) et une quantité très réduite de liant (amidon latex - additif). Le liquide surnageant à l'autre sortie 32 du bol de centrifugation 30 est composé principalement d'eau, d'amidon, de latex et d'additif. L'ensemble de ces liants est dilué dans l'eau, et ne peut être extrait par centrifugation, les particules étant inférieures au micron. Le liquide surnageant est stocké dans une deuxième cuve de récupération 34 avec agitation permanente pour éviter toute décantation des liants. Cette première phase de traitement ne permet pas la récupération d'un produit réutilisable étant donné que l'ensemble des liants se trouve dilué dans la liquide surnageant à hauteur de 0,5 % de matières sèches. Le liquide surnageant ainsi stocké dans la deuxième cuve 34 devra être traité pour récupération des liants, avec rejet ou récupération de l'eau. Aucun agent floculant ne peut être utilisé si l'on veut réutiliser le produit récupéré. La deuxième étape du procédé est la séparation des matières sèches diluées dans l'eau du liquide surnageant. La séparation s'effectue sans additif chimique, par un dispositif d'ultrafiltration, désigné par le repère général 36. Le liquide surnageant à la sortie de la deuxième cuve de récupération 34 est refoulé à des faibles concentrations de l'ordre de 0,2 % à 0,7 % dans le dispositif d'ultrafiltration 36 au moyen d'une pompe 38 à vitesse variable pour ajuster le débit de liquide à traiter. Le dispositif d'ultrafiltration 36 est constitué d'une boucle de tuyauterie 40 équipée d'une pompe de circulation 42 et d'au moins un module de filtration 44 tangentielle. L'alimentation de la boucle 40 s'effectue en continu à débit constant avec le liquide surnageant, lequel devra circuler dans la boucle à une vitesse de 5m/s afin d'assurer un autonettoyage des membranes à support céramique des modules de filtration 44. Les membranes céramiques ZrO2 sont montées sur un support multicanaux dans un carter tubulaire ayant environ 1,20 mètres. Elles permettent d'obtenir un pouvoir de coupure de 20 nanomètres (correspondant à 50 K daltons, le dalton étant une unité de masse égale à 1/N grammes, N étant le nombre d'Avogadro.) Le liquide traité par ultrafiltration est séparé en deux phases - le perméat traversant les membranes des modules de filtration 44, et contenant exclusivement des matières dissoutes de faibles poids moléculaires, - le rétentat renfermant les matières en suspension des liants, ainsi que les produits en solution de poids moléculaires élevés. Le perméat est évacué par la tubulure 46 en sortie des modules de filtration 44, et le rétentat sort par la tubulure 48. Pour réduire au maximum le problème de bouchage des membranes, on utilise une pression transmembranaire supérieure de 1 bar maximum par rapport à la pression de sortie du perméat (eau claire). Pour chaque équipement, la surface membranaire sera différente en fonction du type d'effluent à traiter. Le produit restant dans la boucle sera reconcentré au maximum à 30 % permettant ainsi de garder un débit du perméat important. Par rapport à la membrane organique, la membrane céramique permet de travailler à des pressions plus importantes, et elle est insensible à la température et aux produits de nettoyage (soude/acide), injectés par les tubulures 50, 52 pour assurer le lavage du dispositif d'ultrafiltration 36. Le rétentat ainsi récupéré se situe entre 10 % et 30 % de matières sèches constituées d'amidon, de latex et d'additifs. Plusieurs modules de filtration 44 peuvent être disposés en parallèle dans la boucle 40. Ce procédé associant deux technologies permettra la récupération des produits de couchage, ce qui évite ainsi l'achat de nouvelles matières premières. Au cours d'une troisième étape, on mélange ensuite le concentrat dans la tubulure 54 avec le rétentat de la tubulure 48, de manière à obtenir une sauce de couchage à une concentration de 35% à 50 % pouvant être réintroduite dans des sauces de précouche et topcouche. Le perméat dans la tubulure 46 ne contient plus que de faibles quantités de matières dissoutes, et est formé par de l'eau parfaitement limpide pouvant être recyclée, ou être rejetée à la station d'épuration. Les matières premières de couchage récupérées ne sont pas altérées, et conservent leurs propriétés d'origine. Un débitmètre 56 massique et volumique est placé avec des vannes de régulation 57 dans les tubulures de sortie 48, 54 pour ajuster la densité et le débit du mélange de la sauce de couchage récupérée. Le rendement d'une telle installation est optimum, étant donné que la séparation des charges de l'effluent dans le bac décanteur centrifuge 10 s'effectue à plus de 90 %, ce qui permet au liquide surnageant de rentrer dans le dispositif d'ultrafiltration avec un taux minimum de matières sèches inférieures à 0, 25%. La densité à l'intérieure de la boucle de tuyauterie 40 augmente très peu, et autorise un traitement sans colmatage rapide des membranes des modules de filtration 44. Le fonctionnement en ligne du bac décanteur centrifuge 10 et du dispositif d'ultrafiltration 40 est parfaitement possible après un dimensionnement correct de la surface filtrante totale des membranes, et le nombre des modules de filtration 44 en fonction du débit désiré. Le dispositif est particulièrement applicable dans les papeteries et cartonneries. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le traitement des effluents contenus dans les eaux de lavage en provenance de sauces de couchage usées contenant différentes sortes de pigments et de liants, caractérisé par la suite des étapes suivantes: - on récupère les effluents de sauces de couchage à une concentration en matières sèches de l'ordre de 1,5 % à 3 %, - on sépare les matières sèches en suspension dans les effluents au moyen d'un bac décanteur centrifuge (10) pour obtenir un concentrat contenant principalement des pigments avec une concentration de matières sèches de l'ordre de 50% à 60 %, et un liquide surnageant renfermant les liants, notamment de l'amidon, du latex et des additifs dilués dans l'eau, - on introduit le liquide surnageant dans un dispositif d'ultrafiltration (36) tangentielle pour séparer les matières sèches diluées dans l'eau au moyen d'une membrane ayant un pouvoir de coupure de 20 à 50 nanomètres, de manière à obtenir un perméat contenant de l'eau et des'matières dissoutes de faibles poids moléculaires traversant la membrane, et un rétentat renfermant les matières en suspension des liants avec une concentration de 10 à 30 %, - on mélange ensuite le concentrat et le rétentat pour obtenir une sauce de couchage avec une concentration de l'ordre de 35% à 50 % susceptible d'être réintroduite dans les sauces fraîches à hauteur de 5 % à 15 % du débit de consommation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effluent subit une préfiltration avant l'arrivée dans le bac décanteur centrifuge (10) pour éliminer les particules ou autres impuretés susceptibles d'affecter le recyclage des charges. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la préfiltration est mise en oeuvre au moyen d'un filtre vibrant (14) délivrant un effluent préfiltré envoyé dans une première cuve de récupération (16) o il est soumis à une agitation permanente. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le concentrat à la sortie du bac décanteur centrifuge (10) est introduit dans un bac d'homogénéisation (30) à agitation rapide pour mélanger la sauce concentrée du concentrat. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane du dispositif d'ultrafiltration (36) tangentielle possède un support céramique traversé en continu à débit constant par le liquide surnageant, lequel circule dans la boucle de tuyauterie (40) à une vitesse prédéterminée assurant I'autonettoyage de la membrane céramique. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pression de filtration à travers la membrane est supérieure à un bar maximum par rapport à la pression de sortie du perméat pour éviter tout effet de colmatage de la membrane. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité et le débit du mélange de la sauce de couchage récupérée sont ajustés au moyen d'un débitmètre (56) massique et volumique coopérant avec des vannes de régulation (57) insérées à la sortie des tuyauteries (54, 48) respectives du concentrat et du rétentat. 8. Dispositif pour le traitement des effluents contenus dans les eaux de lavage en provenance de sauces de couchage, et comportant: - un bac décanteur centrifuge (10) agencé pour séparer les matières en suspension dans l'effluent à traiter, et à récupérer les charges et pigments constituants le concentrat, sans produit chimique de floculation, - un dispositif à ultrafiltration (36) à membrane céramique qui filtre le liquide surnageant issu du bac décanteur centrifuge (10) pour retenir les liants constituant le rétentat, - et des moyens pour mélanger le concentrat et le rétentat selon une densité et un débit prédéterminés. 9. Dispositif pour le traitement des effluents selon la revendication 8, caractérisé en ce que le bac décanteur centrifuge (10) comporte un bol de centrifugation (24) destiné à délivrer le liquide surnageant, et une vis d'extraction (26) tronconique pour l'évacuation du concentrat vers un bac d'homogénéisation (30), le bol centrifuge (10) et la vis d'extraction (26) tournant à des vitesses de rotation différentes pour ajuster la concentration du concentrat. 10. Dispositif pour le traitement des effluents selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif à ultrafiltration (36) comprend une boucle de tuyauterie (40) équipée d'une pompe de circulation (42) du liquide surnageant, d'au moins un module de filtration (44) tangentielle ayant une membrane à support céramique, dotée d'un pouvoir de coupure de 20 nanomètres, et de moyens pour faire circuler le liquide surnageant dans la boucle de tuyauterie avec une vitesse de l'ordre de 5 m/s pour assurer un autonettoyage de la membrane.