Brevet FR2770210A1 — publié le 19990430

La présente invention concerne un procédé de régulation du débit d'eaux traitées dans des bioréacteurs à membrane. On sait que l'activité humaine est responsable d'une pollution des eaux par des composés dissous tels que l'ammoniaque et les nitrates1 des micro-organismes potentiellement pathogènes ainsi que des produits organiques phytosanitaires tels que les pesticides. Selon la concentration des polluants et en fonction des normes de qualité, dans le domaine de la production d'eau potable en particulier, il est parfois nécessaire de mettre en place un ou plusieurs procédés spécifiques de chacun des composés à éliminer. Ainsi, I'azote ammoniacal ainsi que les nitrates peuvent être éliminés par voie biologique ou physico-chimique. Par contre, les pesticides, la matière organique d'origine naturelle ou anthropique (par exemple pesticides) , les microorganismes pathogènes (protozoaires, bactéries et virus) ainsi que les matières en suspension (turbidité) ne peuvent être éliminés que par des procédés physicochimiques. Ainsi qu'on l'a vu ci-dessus, I'élimination de l'azote peut être effectuée soit par voie biologique, soit par voie physico-chimique. On rappellera ci-après l'état de l'art selon ces techniques. I - Elimination de l'azote A - Procédés biologiques: Ces procédés mettent en oeuvre des micro-organismes sous la forme de suspensions dans le cas des boues activées ou de biofilms dans le cas des procédés à cultures fixées. Par exemple, ce dernier type de procédé est utilisé depuis les années 80 pour le traitement de l'azote en production d'eau potable. Un tel procédé connu sous la dénomination commerciale de NITRAZUR (Marque déposée) est décrit notamment dans le Mémento Technique de l'Eau, 9ème édition, édition du Cinquantenaire - 1989 - Tome 2 - pages 740 - 742. Le principe des procédés biologiques consiste à concentrer dans un bioréacteur des bactéries du milieu naturel en les plaçant dans un environnement favorable à leur croissance, leur permettant ainsi de transformer le polluant souhaité. Ainsi, les bactéries nitrifiantes oxydent l'azote ammoniacal (NH4 ) en nitrate (NO3) en présence d'oxygène (nitrification), alors que les bactéries dénitrifiantes transforment les nitrates en azote moléculaire (N2) en l'absence d'oxygène (dénitrification). Lorsque les bactéries dénitrifiantes sont mises en oeuvre pour la production d'eau potable, il est nécessaire d'apporter une source de carbone et d'énergie telle que l'éthanol. En effet, ces bactéries dénitrifiantes utilisent une source de carbone et d'énergie d'origine organique au contraire des bactéries nitrifiantes qui utilisent le CO2 comme source de carbone et l'ammoniaque comme source d'énergie. B - Procédés physico-chimiques: On connaît divers procédés physico-chimiques qui peuvent également permettre d'épurer les eaux à teneur trop élevée en composés azotés. Les techniques actuellement disponibles à l'échelle industrielle sont respectivement l'électrodialyse, I'échange d'ions, la nanofiltration et l'osmose inverse. Dans le cas des nitrates, comme pour la plupart des autres polluants, la différence fondamentale par rapport aux procédés biologiques est que les procédés physico-chimiques n'assurent qu'une séparation entre l'eau et les composés indésirables, sans réelle élimination des polluants mais un transfert vers une phase plus concentrée qui doit ensuite être ellemême traitée avant son rejet dans le milieu naturel. II - Elimination de la matière organique La matière organique contenue dans les eaux résiduaires peut être éliminée par voie biologique comme c'est le cas dans les stations d'épuration. Par contre, la matière organique présente dans les eaux naturelles est difficilement biodégradable et elle ne peut être éliminée que par voie physico-chimique. De même, les micro-polluants organiques tels que les pesticides sont eux aussi peu biodégradables et ils doivent donc être éliminés par les mêmes techniques. Ces procédés d'élimination sont basés sur l'action d'oxydants puissants tels que l'ozone et le peroxyde d'hydrogène (procédé connu sous la dénomination PEROZONE (marque déposée), ou sur l'adsorption par le charbon actif en grains ou en poudre, ou encore sur des techniques séparatives telles que la nanofiltration ou l'osmose inverse. On peut également utiliser l'ultrafiltration mais en couplage avec du charbon actif en poudre car le seuil de coupure de la membrane d'ultrafiltration est trop élevé et une forte proportion des molécules à faible masse moléculaire passe au travers de ladite membrane. Ce procédé est connu sous la dénomination CRISTAL (marque déposée), et il est décrit notamment dans FR-A-2 628 337 et 2 696 440. Les traitements par voie oxydative entraînent une dégradation de la matière organique en molécules plus petites voire en CO2 lorsque les doses appliquées sont suffisantes. III - Elimination des matières en suspension et des microorganismes Hormis les techniques de désinfection telles que l'ozonation et la chloration qui permettent d'inactiver, voire de détruire les micro-organismes, seules les techniques séparatives telles que l'ultrafiltration permettent de retenir les matières en suspension et en même temps, d'assurer une désinfection totale de l'eau traitée. L'élimination des matières en suspension peut également être réalisée en mettant en oeuvre des techniques moins sophistiquées comme les filtres à sable, mais qui ne constituent pas une barrière absolue pour les micro-organismes. Les procédés connus rappelés ci-dessus présentent un certain nombre d'inconvénients. Ainsi, à l'exception de l'osmose inverse qui permet d'éliminer à la fois la matière organique et les ions tels que l'ammoniaque et les nitrates, ces procédés sont plutôt spécifiques d'un type de polluant. Ainsi, lorsque l'eau à traiter contient un ensemble de produits indésirables ou présents en concentration trop élevée, il est nécessaire de prévoir une combinaison de traitements. C'est le cas du procédé NITRAZUR mentionné ci-dessus qui doit être suivi - d'un filtre à sable pour retenir les bactéries provenant du bioréacteur ainsi que les matières en suspension apportées par l'eau brute et; - d'un filtre à charbon actif en grains si les pesticides doivent également être éliminés. Enfin, si l'hydraulique flux-piston des réacteurs à cultures fixées du type NITRAZUR mentionné ci-dessus présente un avantage en terme d'avancement des réactions biologiques, elle n'assure pas toujours des conditions optimales de contact entre la biomasse et le substrat : la répartition de l'eau sur la surface du filtre est en effet fonction du nombre de points d'injection c'est-à-dire du nombre de buselures par m2 de surface de plancher de filtre. Si l'osmose inverse permet d'éliminer plusieurs polluants à la fois, son principal inconvénient est lié au coût énergétique important du fait de la pression élevée à mettre en oeuvre. De plus, et ceci est une conséquence directe des caractéristiques de rejet de sel des membranes utilisées, I'équilibre minéral de l'eau est fortement modifié, ce qui nécessite une reminéralisation de l'eau traitée. Dans le cas de la nanofiltration, de l'électrodialyse et de l'échange d'ions, la pollution est seulement transférée vers une phase plus concentrée qui, ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus doit être ensuite elle-même traitée avant son rejet dans le milieu naturel. De même, I'adsorption sur charbon actif (en grains ou en poudre) ne permet pas une élimination réelle des composés mais réalise un transfert des polluants sur une phase solide qu'il faut régénérer, après saturation, par exemple par voie thermique (à une température d'environ 800"C, en atmosphère réductrice). II est apparu récemment un nouveau procédé connu sous la dénomination de BIOCRISTAL (marque déposée). Ce procédé est décrit notamment dans la publication Membrane bioreactor : a new treatment tool par Vincent Urbain, Raymond Benoit et Jacques Manem, Journal A.W.W.A. - mai 1996 pages 75 à 86. Ce procédé repose sur le principe des bioréacteurs à membranes connus sous la dénomination BRM (marque déposée) et décrits dans la publication a Membrane Bioreactors par Jacques Manem et Ron Sanderson, Chapître 17, Membrane Processes - McGraw-Hill - 1996. Un tel procédé combine à la fois une élimination des nitrates par voie biologique (dénitrification), une adsorption des matières organiques sur charbon actif en poudre (CAP) et une désinfection par ultrafiltration. La figure 1 des dessins annexés illustre le schéma de principe d'un tel procédé. Le mélange de bactéries dénitrifiantes, de réactifs (éthanol et charbon actif en poudre) et de matières en suspens ion apportées par l'eau brute est délivré à un bioréacteur parfaitement mélangé 1. Les réactifs sont ajoutés de manière proportionnelle au débit d'eau brute dans le bioréacteur 1 dans lequel la concentration en matières en suspension est contrôlée par une extraction régulière. L'extraction permet à la fois de renouveler le charbon actif en poudre usagé et de contrôler le taux de croissance des bactéries dénitrifiantes. Les réactions biologiques (dénitrification) et d'adsorption par le charbon actif s'effectuent dans ce bioréacteur, à partir duquel sont pompées les matières en suspension (biomasse, charbon actif ou particules provenant de l'eau brute) afin d'être délivrée, par une pompe 3 aux membranes d'ultrafiltration 2. La filtration est assurée en mode tangentiel du fait de la quantité de matières en suspension présentes dans le liquide à filtrer. L'installation comporte une conduite 5 de recirculation du rétentat ainsi qu'une conduite 4 pour l'évacuation du perméat c'està-dire de l'eau traitée. On réalise à intervalles réguliers des opérations de rétro lavage avec l'eau traitée et de conditionnement des membranes à l'aide de chlore. Dans ce but, I'installation comporte une pompe de rétrolavage 5 qui est mise en action pour pomper l'eau traitée afin de la ramener sous pression dans le réacteur 1, la recirculation de la boue étant alors arrêtée. La figure 2 illustre, sous forme de schéma, les réactions mises en oeuvre dans ce procédé BIOCRISTAL . Partant de cet état de la technique, la présente invention vise plus particulièrement le contrôle des performances de filtration selon le principe appelé Régulation interactive , le but de l'invention étant notamment d'obtenir une prolongation de la durée de production lorsque les performances de filtration sont réduites. Une diminution des performances de filtration peut par exemple, se produire dans les cas suivants: - défaut de la procédure de rétrolavage; - évolution du mélange à filtrer entraînant un colmatage partiel des membranes d'ultrafiltration et, - colmatage lié au volume d'eau filtré et nécessitant un lavage chimique des membranes. La mise en oeuvre, selon l'invention, d'une telle régulation interactive permet à l'exploitant de continuer à assurer la production d'eau pendant une durée suffisante avant de réaliser l'intervention nécessaire au rétablissement des performances de filtration initiales. L'invention a donc pour objet un procédé de régulation du débit d'eau traitée dans un bioréacteur à membranes qui comporte une élimination des nitrates par voie biologique, une adsorption des matières en suspens ion sur du charbon actif en poudre, ces deux étapes étant réalisées simultanément dans ledit réacteur biologique, et une désinfection par ultrafiltration sur membranes, le rétentat étant recyclé dans le bioréacteur caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une pressurisation du compartiment interne des membranes d'ultrafiltration, en réponse à une diminution du débit du perméat, c'est-à-dire de l'eau traitée, en dessous d'une valeur de consigne prédéterminée, cette pressurisation entraînant une augmentation du débit du perméat. Selon l'invention, on peut en outre prévoir une mesure de la pression dans le compartiment rétentat des membranes d'ultrafiltration afin de respecter une consigne de pression préétablie, cette mesure de pression pouvant être réalisée par exemple à l'entrée des membranes d'ultrafiltration. L'invention apporte également un dispositif de régulation pour la mise en oeuvre du procédé tel que spécifié ci-dessus, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte: - un débitmètre placé sur le circuit perméat des membranes d'ultrafiltration; - une vanne automatique placée sur le circuit rétentat des membranes et, - un régulateur électronique recevant une information transmise par ledit débitmètre en vue d'actionner ladite vanne automatique lorsque le débit du perméat est inférieur à ladite valeur de consigne, afin de ramener ce débit à cette valeur de consigne, en pressurisant le compartiment interne desdites membranes. Selon une variante de ce dispositif, celui-ci comporte en outre: - une seconde vanne automatique placée sur le circuit perméat desdites membranes et, - un second régulateur électronique recevant l'information transmise par ledit débitmètre afin d'actionner la vanne automatique placée sur le circuit rétentat, soit lorsque ladite seconde vanne automatique est ouverte à 100%, soit lorsque le débit d'eau est inférieur à ladite valeur de consigne. Selon un autre mode de réalisation de ce dispositif, celui-ci comporte en outre un capteur de pression qui est positionné dans le circuit rétentat, notamment à l'entrée du compartiment rétentat des membranes d'ultrafiltration, afin de respecter une consigne de pression préétablie, affichée dans le régulateur électronique actionnant la vanne automatique placée sur le circuit rétentat. On se réfère maintenant à la figure 3 des dessins annexés qui illustre de façon schématique un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention. Ainsi qu'on l'a précisé ci-dessus, I'invention consiste à effectuer une pressurisation du compartiment interne des membranes d'ultrafiltration lorsque le débit de l'eau traitée diminue en dessous d'une valeur de consigne fixée par l'opérateur. En effet, au cours du fonctionnement, en raison du colmatage des membranes d'ultrafiltration, le débit d'eau traitée tend à diminuer. En pressurisant, selon l'invention, le compartiment interne des membranes, on peut rétablir ce débit à sa valeur de consigne. Sur la figure 3,on a schématisé une installation du type décrit ci-dessus en référence à la figure 1. II s'agit donc d'une installation mettant en oeuvre le procédé BRM. Sur cette figure, on retrouve le bioréacteur 1 recevant le mélange d'eau brute avec ses matières en suspension, de bactéries dénitrifiantes, de réactifs (éthanol, charbon actif en poudre ) et une membrane d'ultrafiltration 2 (bien entendu, il ne s'agit là que d'un exemple, une installation type BRM comportant généralement un séparateur à plusieurs membranes telles que 2. Selon la présente invention, on prévoit une première vanne automatique 9 placée sur le circuit rétentat de la membrane 2 et une seconde vanne automatique 10 positionnée sur le circuit perméat de cette membrane. Ces vannes automatiques 9 et 10 sont couplées à des boîtiers de régulation électronique respectivement 8 et 11 qui en assurent le pilotage. On prévoit un débitmètre 7 placé sur la sortie du perméat 4 c'est-à-dire de l'eau traitée. Le régulateur électronique 11 reçoit l'information transmise par le débitmètre 7 et il pilote donc la vanne 10. Lorsque cette vanne 10 est ouverte à 100% ou lorsque le débit d'eau traité diminue en dessous d'une valeur de consigne, un signal est envoyé vers le régulateur électronique 8 qui actionne alors la vanne 9 qui se ferme d'une valeur suffisante pour pressuriser le compartiment rétentat de la membrane 2, ce qui a pour conséquence d'augmenter le débit de perméat. L'ouverture de la vanne 9 est alors contrôlée par le régulateur 8 afin d'assurer la consigne de débit fixée par l'opérateur. Selon l'invention, il est possible de supprimer la vanne automatique 10 et son boîtier de régulation électronique 11, I'information de débit délivré par le débitmètre 7 étant directement transmise au régulateur électronique 8 pilotant la vanne automatique 9. Ainsi, lorsque le débit de l'eau traitée est à la valeur de consigne, la vanne 9 pilotée par le régulateur 8 est réglée sur le débit demandé. Lorsque le débit d'eau traitée (perméat) vient à diminuer par suite notamment d'un colmatage de la membrane 2, le debitmètre transmet une information soit à la vanne 10 pour l'ouvrir davantage sous la commande du régulateur 11, soit en cas de suppression de cette vanne 10 et de son régulateur, au boîtier de régulation 8, afin de fermer la vanne automatique 9 d'une valeur suffisante pour rétablir le débit de consigne par une pressurisation du compartiment rétentat de la membrane 2. Selon l'invention, on peut prévoir un capteur de pression 12, mesurant la valeur de la pression dans le compartiment rétentat, par exemple à l'entrée de la membrane 2, pour respecter une consigne de pression fixée par l'opérateur en fonction de contraintes techniques liées à l'équipement utilisé (par exemple pression limite d'utilisation des modules et membranes, consigne de pression maximale avant lavage, consigne de pression transmembranaire critique). II résulte de la lecture de la description qui précède que la présente invention permet effectivement d'assurer un contrôle et une régulation des performances des bioréacteurs à membrane par régulation interactive permettant d'en prolonger la durée de production en cas de diminution des performances de filtration dans les cas mentionnés ci-dessus. II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits etlou représentés mais qu'elle en englobe toutes les variantes qui entrent dans le cadre de la portée des revendications annexées REVENDICATIONS 1 - Procédé de régulation du débit d'eau traitée dans un bioréacteur à membranes, qui comporte une élimination des nitrates par voie biologique, une adsorption des matières en suspension sur du charbon actif en poudre, ces deux étapes étant réalisées simultanément dans ledit réacteur biologique (1), et une désinfection par ultrafiltration sur membranes (2), le rétentat étant recyclé dans le bioréacteur (1) caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une pressurisation du compartiment interne des membranes d'ultrafiltration, en réponse à une diminution du débit du perméat, c'est-à-dire de l'eau traitée, en dessous d'une valeur de consigne prédéterminée, cette pressurisation entraînant une augmentation du débit du perméat. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on prévoit une mesure de la pression dans le compartiment rétentat des membranes d'ultrafiltration afin de respecter une consigne de pression préétablie. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite mesure de pression est réalisée à l'entrée des membranes d'ultrafiltration (2). 4 - Dispositif de régulation pour la mise en oeuvre du procédé tel que spécifié dans l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte: - un débitmètre (7) placé sur le circuit perméat (4) des membranes d'ultrafiltration (2); - une vanne automatique (9) placée sur le circuit rétentat (6) des membranes et, - un régulateur électronique (8) recevant une information transmise par ledit débitmètre (7) en vue d'actionner ladite vanne automatique (9) lorsque le débit du perméat est inférieur à ladite valeur de consigne, afin de ramener ce débit à cette valeur de consigne, en pressurisant le compartiment interne desdites membranes. 5 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - une seconde vanne automatique (10) placée sur le circuit perméat (4) desdites membranes et, - un second régulateur électronique (11) recevant l'information transmise par ledit débitmètre (7) afin d'actionner la vanne automatique (9) placée sur le circuit rétentat, soit lorsque ladite seconde vanne automatique (10) est ouverte à 100%, soit lorsque le débit d'eau est inférieur à ladite valeur de consigne. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un capteur de pression (12) qui est positionné dans le circuit rétentat, notamment à l'entrée du compartiment rétentat des membranes d'ultrafiltration (2), afin de respecter une consigne de pression préétablie, affichée dans le régulateur électronique (8) actionnant la vanne automatique (6) placée sur le circuit rétentat.