Brevet FR2775911A1 — publié le 19990917

La présente invention est relative aux équipements de séparation 1o solide/liquide réalisée par filtration sur matériaux membranaires ou textiles. Plus particulièrement, l'invention concerne des perfectionnements apportés aux équipements de filtration du type cidessus, destinés de façon plus spécifique au traitement des suspensions de boues résultant d'épurations physico-chimique ou biologique (boues activées, liqueurs mixtes). Elle s'applique notamment à l'épuration d'eaux usées par voie biologique. On sait que l'épuration biologique des eaux usées repose sur la culture de bactéries épuratrices dans des systèmes spécifiques. Le système le plus couramment utilisé est la boue activée, c'est-à-dire une culture de ces bactéries en suspension dans de l'eau traitée, couramment appelée liqueur mixte. De nouveaux systèmes, appelés cultures mixtes mettent en oeuvre ces boues en les mélangeant à un matériau support mis en suspension. L'efficacité et la fiabilité de ce système reposent sur la séparation entre cette boue activée et l'eau traitée, cette séparation constituant la clarification. A l'heure actuelle, la clarification est assurée dans la quasi totalité des cas par décantation et, dans quelques cas particuliers par filtration. On rappellera ci-après les caractéristiques essentielles de ces deux techniques connues de clarification: - Les décanteurs secondaires ou clarificateurs sont des ouvrages conçus de façon à séparer la liqueur mixte de l'eau traitée par simple décantation. La mise en oeuvre de ces clarificateurs dans des stations de traitement d'eaux résiduaires comporte deux limitations majeures: d'une part la concentration en boues dans le bassin biologique est plafonnée à six grammes de matière sèche par litre de liqueur mixte, ce qui se traduit par des volumes d'ouvrages importants et d'autre part, il est nécessaire, dans la mesure o on procède à une nitrification, de dénitrifier l'effluent afin d'éviter la flottation des boues dans l'ouvrage et par conséquent, des fuites de matières en suspension dans l'eau traitée. 2 2775911 Par ailleurs, une grande partie des stations existantes doivent faire face à de multiples problèmes qui détériorent la décantabilité des boues notamment: des proliférations de bactéries filamenteuses provoquant des problèmes de foisonnement et de moussage, des variations de pH ou de salinité, ainsi que des arrivées de produits toxiques, qui sont souvent la cause de perturbations graves de la décantation. En résumé, les dysfonctionnements des clarificateurs sont fréquents et ils aboutissent souvent à des fuites dramatiques de boues vers les étapes de traitement ultérieures ou dans le milieu naturel: ce manque de fiabilité est donc o incompatible avec les nouvelles normes de rejet. - Dans la clarification par filtration, la filtration est assurée par des membranes d'ultrafiltration (présentant des pores de dimension généralement comprise entre 0,001 et 0,1 pm) ou de micro-filtration (avec une taille de pores généralement comprise entre 0,05 et 5 pm). Ces procédés de séparation lorsqu'ils sont appliqués au domaine de la filtration des boues biologiques sont généralement connus sous l'appellation de BRM (Bio Réacteurs à Membranes). Dans tous ces systèmes de l'énergie est appliquée dans la boue, à la surface de la membrane, afin de limiter son encrassement et d'accroître les flux et/ou la durée de la filtration. Un premier type de BRM est caractérisé par le fait que l'on utilise une membrane située à l'extérieur du bassin biologique pour réaliser la séparation, ce qui permet d'appliquer une grande quantité d'énergie utile à la surface de la membrane. Dans ce cas, les boues sont amenées à circuler à grand débit dans le filtre, tangentiellement à la membrane, afin de limiter son encrassement. La pression de transfert (PTM: Pression Trans Membranaire) est comprise entre 0,5.105 Pa et 5.105 Pa. De cette façon, on obtient des flux de filtration de l'ordre de 50 à 200 I/h par m2 de membrane. Ces flux sont maintenus pendant des durées de l'ordre de 1 à 2 semaines avant colmatage de la membrane, qui est ensuite régénérée chimiquement. La principale limite de ces BRM réside dans la consommation énergétique liée à la circulation de la boue dans le filtre. Les débits importants requis induisent en effet une consommation électrique de l'ordre de 1 à 5 kWh par m3 d'eau traitée. Pour cette raison, le domaine d'application de ces BRM est limité aux installations de faible capacité et plus particulièrement pour des effluents très pollués. 3 2775911 Un second type de BRM est caractérisé par le fait que la filtration des boues s'effectue sur des membranes situées dans le bassin biologique. Dans ce cas, le filtre est immergé directement dans le bassin biologique, des turbulences par aération et/ou agitation étant mises en oeuvre au sein des boues a filtrer. L'eau traitée est recueillie gravitairement ou par pompage par aspiration au travers de la membrane, ce qui se traduit par des pressions de transfert généralement comprises entre 0,1. 105 Pa et 105 Pa. Le niveau d'énergie qui est appliqué à la surface de la membrane est plus faible que pour le premier type de BRM décrit ci- dessus, ce qui permet de réduire la consommation énergétique. Cependant, les flux obtenus ne io sont plus que de l'ordre de 5 à 50 litres par heure et par m2 de membrane. Ces faibles flux conduisent alors à la mise en oeuvre de surfaces filtrantes importantes dont le coût pénalise très fortement le procédé notamment pour des installations de grande capacité et plus particulièrement lorsque les effluents sont peu concentrés. Par ailleurs, il existe d'autres procédés de filtration qui combinent les performances de flux élevé et de faible consommation énergétique, mais a des degrés divers, ces procédés connus se révèlent non adaptés à la filtration de suspensions biologiques concentrées. Parmi ces procédés, on notera les procédés à filtration frontale dans lesquels la filtration est réalisée sur un support à porosité grossière recouvert d'une pré-couche préformée (ajout d'une suspension de diatomées...) assurant la séparation réelle (filtres à bougies...), de tels systèmes fonctionnant en discontinu, par cycles " filtration/décolmatage/établissement précouche ". Les périodes de filtration se caractérisent par une augmentation progressive de la pression de transfert due à l'accumulation de matières à la surface de la pré-couche et à la migration de fines particules à l'intérieur de cette couche. Cette pression structure le dépôt à la surface du support grossier de filtration. Lorsque la pression atteint une valeur critique de l'ordre de 105 Pa à 106 Pa, l'ensemble " pré-couche + particules piégées " rendu cohérent par la pression est éliminé par un lavage très énergique à l'air ou a l'eau à contre courant. Malheureusement, ces procédés s'appliquent difficilement à la filtration de suspensions biologiques car ces particules sont le plus souvent très compressibles: lorsque les suspensions sont concentrées, la croissance rapide du dépôt de particules à la surface du support de filtration entraîne une augmentation dramatique de la résistance hydraulique, ce qui se traduit par un arrêt de la filtration. 4 2775911 En conclusion, les techniques de filtration par BRM constituent, pour des installations de faible capacité, une alternative technique satisfaisante aux procédés de clarification conventionnels par décantation; par contre, leur coût de construction et/ou d'exploitation demeure plus élevé que celui desdits procédés conventionnels. Pour des capacités importantes, supérieures à quelques milliers de m3 par jour, il n'existe pas à l'heure actuelle aucune solution satisfaisante. La présente invention se propose précisément d'apporter une solution à ce problème. En conséquence, la présente invention a pour objet un équipement de séparation d'une suspension solide/liquide par filtration, notamment des boues d'une îo liqueur d'épuration biologique ou physico chimique, sur matériau filtrant textile ou membranaire, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pluralité de plaques immergées dans la suspension à traiter, lesdites plaques étant disposées inclinées par rapport à la verticale et parallèlement les unes aux autres, avec un espacement déterminé, chacune desdites plaques étant réalisée sous la forme d'une plaque évidée dont seule la face inférieure est recouverte du support filtrant, lui même recouvert d'une couche de particules de la suspension à séparer, la face supérieure étant pleine, les capacités internes desdites plaques évidées étant raccordées, par leur partie supérieure, à un collecteur recueillant l'eau traitée et l'on prévoit des moyens de balayage gazeux, positionnes à la partie inférieure de chaque plaque de manière que les bulles gazeuses émises par lesdits moyens de balayage s'écoulent le long du support filtrant. Selon un mode de réalisation préféré de cet équipement de séparation, les plaques sont inclinées de 5 à 60 par rapport à la verticale avec un espacement compris entre 1 et 20 cm. De préférence, selon l'invention, le support filtrant est un support grossier présentant une porosité comprise entre 5 et 100 pm. Selon un mode de réalisation de l'équipement de séparation objet de la présente invention, les moyens de balayage gazeux sont réalisés sous la forme d'un réseau de diffuseurs, disposé au fond du bassin biologique recevant l'équipement, dont les buses débouchent à la partie inférieure desdites plaques. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les moyens de balayage gazeux sont intégrés auxdites plaques, ces moyens étant réalisés sous la forme d'enceintes séparées prolongeant la partie inférieure de chaque plaque et étant 2775911 alimentée en gaz par une conduite d'alimentation, chacune desdites enceintes étant munie d'au moins une ouverture d'évacuation qui est positionnée de manière que les bulles gazeuses s'écoulent le long du support filtrant de chaque plaque. Selon l'invention, le gaz peut être de l'air ou un gaz inerte et son débit est de préférence de l'ordre de 0,05 a 5 m3/h par mètre linéaire de plaque. Selon l'invention, I'injection de gaz s'effectue de manière continue, discontinue de façon périodique ou aléatoire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé qui en illustre deux io exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur le dessin: - la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale représentant un bassin de traitement biologique mettant en oeuvre un premier mode de réalisation de l'équipement selon la présente invention et, - la figure 2 est une vue schématique similaire à la figure 1 illustrant un i5 second exemple de réalisation de la présente invention. Ainsi qu'on le comprend de la description ci-dessus, I'invention consiste à réaliser la filtration à basse pression (comprise entre 10 et 104 Pa, de préférence de l'ordre de 102 Pa) sur un support grossier recouvert d'une couche non exogène, c'est-à-dire constituée uniquement par les particules de la suspension biologique à filtrer, cette couche étant renouvelée en continu. On notera que la pression de filtration est bien inférieure aux valeurs utilisées à l'heure actuelle. La couche filtrante est renouvelée en continu, ce qui constitue l'une des caractéristiques originales de la présente invention. En effet, le principe à la base de l'invention consiste à créer à la surface du support filtrant les conditions hydrauliques permettant de: - maintenir une couche de matières d'épaisseur suffisante pour réaliser la séparation et, renouveler cette couche en continu de manière que la pression de transfert reste faible: en effet, lorsque la pression de transfert est faible, la couche est très peu cohérente et de faibles quantités d'énergie peuvent détacher cette couche du support de filtration. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus et comme on le décrira en détails ci-après, cette énergie est fournie par des moyens de balayage gazeux de la couche du support de filtration. 6 2775911 On se réfère maintenant à la figure 1 qui représente un premier exemple de réalisation de l'équipement de filtration objet de la présente invention. Cet équipement de filtration désigné dans son ensemble par la référence 10 est immergé dans la cuve 12 contenant la suspension à traiter qui est admise en 18. Cet équipement 10 est constitué d'une pluralité de plaques évidées telles que 14, ces plaques étant disposées dans la cuve 12, de manière inclinée, de préférence selon un angle de 5 à 60 degrés par rapport à la verticale. Elles sont disposées parallèlement les unes aux autres avec un espacement déterminé, par exemple compris entre 1 et 20 cm. L'eau traitée après filtration au travers des plaques 14 est 1o collectée par une conduite 20 prévue à la partie supérieure du bac 12 puis évacuée de ce dernier par l'intermédiaire de l'orifice d'évacuation 22. On prévoit des dispositifs de répartition interne permettant d'équilibrer les débits par plaque 14. Les boues concentrées sont évacuées du bac 12 par l'intermédiaire de l'orifice d'évacuation 28. Sur la surface inférieure 16 de chacune des plaques 14 est disposé le support de filtration réalisé sous la forme d'un support en matériau membranaire ou textile présentant une porosité comprise entre 5 et 100 pm. Ce support grossier est recouvert par une couche des particules de la suspension à traiter, cette couche étant renouvelée en continu, grâce aux moyens prévus par l'invention pour assurer un balayage gazeux de la surface filtrante, comme on l'a déjà mentionné et ainsi qu'on le décrira en détails ci-après. Selon la présente invention, ces moyens de balayage de gaz sont prévus à la partie inférieure de chaque plaque inclinée telle que 14, les bulles de gaz émises par ce balayage s'écoulant le long du support filtrant, c'est-à-dire le long de la surface inférieure 16 de chacune des plaques. Selon l'invention, le débit gazeux ainsi injecté est de l'ordre de 0,05 à 5 m3 par heure et par mètre linéaire de plaque, l'injection de gaz pouvant être réalisée de manière continue ou discontinue, de façon périodique ou aléatoire. Les plaques 14 sont caractérisées par trois paramètres: leur largeur, leur hauteur, leur épaisseur. Le débit gazeux injecté par mètre linéaire de plaque, s'applique à la largeur de ces plaques. Ce débit est indépendant de la hauteur ou de l'épaisseur desdites plaques, ce qui implique que ce débit gazeux serait le même pour une plaque de 0,5 mètre ou de 3 mètres de hauteur, par exemple. 7 2775911 Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 1, les moyens permettant de réaliser ce balayage de gaz sont réalisés sous la forme d'une pluralité de diffuseurs tels que 24 qui sont alimentés en gaz sous pression par l'intermédiaire d'une conduite 26. L'exemple de réalisation illustré par la figure 2 est identique à celui décrit ci- dessus en référence à la figure 1 à l'exception de la conception des moyens permettant de réaliser le balayage gazeux de la surface inférieure 16 de chaque plaque inclinée 14. Dans cette variante, les diffuseurs sont intégrés aux plaques telles que 14. Ces diffuseurs sont donc réalisés sous la forme d'enceintes séparées o telles que 30 constituant la partie inférieure de chaque plaque évidée 14, ces enceintes étant alimentées en gaz par la conduite 26 et les bulles de gaz étant émises à l'aide d'au moins une ouverture telle que 32 prévue dans chaque enceinte telle que 30, de manière que les bulles gazeuses viennent s'écouler le long du support filtrant prévu sur la surface inférieure 16 de chaque plaque. Selon la présente invention, le gaz assurant le balayage peut être de l'air (ce qui permet de réaliser des traitements aérobie dans le bac de traitement biologique 12) ou un gaz inerte (ce qui permet d'effectuer des traitements anoxiques dans le bac 12). On soulignera que la réalisation décrite ci-dessus de cet équipement de séparation conforme à la présente invention est avantageuse étant donné: - qu'une mise en oeuvre de plaques similaires aux plaques 14 décrites ci- dessus mais disposées verticalement serait moins performante car, pour garantir un contact entre les bulles d'air et le support filtrant nécessaire au renouvellement de la couche filtrante, il faudrait: injecter davantage de gaz et cette dissipation d'énergie supplémentaire se traduirait par une réduction de l'épaisseur de la couche filtrante et donc de la qualité de la séparation (augmentation de la concentration en solides dans la phase " liquide traité ") et, - maîtriser finement l'hydraulique dans la veine liquide afin d'éviter la formation d'écoulements préférentiels. Dans ce dernier cas, les zones sur-aérées seraient dépourvues de couche filtrante, ce qui se traduirait par une séparation inefficace et les zones sous aérées seraient alors colmatées. Ce fonctionnement se 8 2775911 traduirait par une hétérogénéité du procédé et, donc, par une forte réduction de ses performances, - alors que la disposition inclinée des plaques filtrantes 14 conformément à la présente invention garantit un contact efficace entre les bulles gazeuses et le support filtrant, avec la possibilité, en jouant sur le débit gazeux (en continu ou en séquences), la taille des bulles formée et l'angle d'inclinaison des plaques, d'ajuster indépendamment: - la fréquence de renouvellement de la couche filtrante et, - I'épaisseur de cette couche filtrante et donc le flux de filtration et la qualité de la séparation. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de mise en oeuvre ou de réalisation décrits et ou mentionnés ici mais qu'elle en englobe toutes modifications et variantes pour autant que celles ci demeurent dans la portée des revendications. 9 2775911 REVENDICATIONS 1 - Equipement de séparation d'une suspension solide/liquide par filtration, notamment des boues d'une liqueur d'épuration biologique ou physico chimique, sur matériau filtrant textile ou membranaire, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pluralité de plaques (14) immergées dans la suspension à traiter, lesdites plaques étant disposées inclinées par rapport à la verticale et parallèlement les unes aux autres, avec un espacement déterminé, chacune desdites plaques étant réalisée sous la forme d'une plaque évidée dont seule la face inférieure (16) est recouverte 1o du support filtrant, lui même recouvert d'une couche de particules de la suspension à séparer, la face supérieure étant pleine, les capacités internes desdites plaques évidées étant raccordées, par leur partie supérieure, à un collecteur (20) recueillant l'eau traitée et l'on prévoit des moyens de balayage gazeux (24; 30), positionnes à la partie inférieure de chaque plaque (14) de manière que les bulles gazeuses émises par lesdits moyens de balayage s'écoulent le long du support filtrant. 2 - Equipement de séparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (14) sont inclinées de 5 à 60 par rapport à la verticale. 3 - Equipement de séparation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites plaques (14) sont disposées avec un espacement compris entre 1 et 20 cm. 4 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support filtrant est un support grossier, en un matériau membranaire ou textile, présentant une porosité comprise entre 5 et 100 pm. 5 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de balayage gazeux sont réalisés sous la forme d'un réseau de diffuseurs (24) disposé au fond du bassin biologique (12) recevant l'équipement, dont les buses débouchent à la partie inférieure (16) desdites plaques (14). 6 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de balayage gazeux sont intégrés auxdites plaques (14), ces moyens étant réalisés sous la forme d'enceintes séparées (30) prolongeant la partie inférieure de chaque plaque et étant alimentée en gaz par une 2775911 conduite d'alimentation (26), chacune desdites enceintes (30) étant munie d'au moins une ouverture d'évacuation (32) pour le gaz, qui est positionnée de manière que les bulles gazeuses s'écoulent le long du support filtrant de chaque plaque. 7 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de balayage du support filtrant est de l'air. 8 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de balayage du support filtrant est un gaz inerte. 9 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications io précédentes, caractérisé en ce que le débit du gaz de balayage par mètre linéaire de plaque (14) est de l'ordre de 0,05 à 5 m3/h. - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le gaz de balayage est injecté de manière discontinue, périodique ou aléatoire. 1 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le gaz de balayage est injecté de manière continue. 12 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il fonctionne sous une pression comprise entre 10 et 1 04 Pa. 13 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il fonctionne sous une pression voisine de 102 Pa. 14 - Equipement de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (14) sont pourvues de moyens de répartition interne de débit afin d'équilibrer les débits par plaque.