Brevet FR2781168A1 — publié le 20000121

Procédé et installation de traitement d'eau. La présente invention concerne des perfectionnents apportés au traitement de l'eau, notamment de l'eau potable à usage domestique dont la qualité répond à des caractéris- tiques normalisées que l'on peut souhaiter vouloir encore améliorer par exemple à titre individuel. On connait aujourd'hui divers procédés mettant en oeuvre des membranes pour le traitement de purification de l'eau. Un premier groupe de procédés comprend la microfil- tration et l'ultrafiltration (dénommée ci-après globalement par "filtration membranaire") qui mettent en oeuvre des membranes permettant la rétention de corps ayant des dimensions allant respectivement jusqu'à 0,1 micron et 0,01 micron (par exemple virus filtrants): ces procédés permet- tent respectivement la clarification et la clarification- désinfection de l'eau. Toutefois, ils n'autorisent pas l'élimination des petites molécules organiques ou minérales (sels) et il peut être nécessaire de compléter le traitement pour obtenir une eau de qualité améliorée. La filtration membranaire fonctionne à faible pression et permet d'obtenir économiquement des débits importants d'eau claire et désinfectée. Le nettoyage périodique des membranes consiste à renvoyer en sens inverse de l'eau filtrée généralement additionnée d'un oxydant (chlore, peroxyde d'hydrogène, etc.). L'eau filtrée néces- saire au nettoyage est préalablement stockée dans un bac et repompée en sens inverse, ou est directement issue de modules en cours de fonctionnement. Un autre groupe de procédés comprend l'osmose inverse et la nanofiltration (dénommées ci-après globalement pas "osmose inverse") qui permettent l'élimination partielle ou totale de petites molécules et qui à ce titre peuvent prétendre à la production d'eau de boisson de qualité améliorée. Toutefois, ces procédés n'autorisent le traite- ment que de faibles débits d'eau et se déroulent sous forte pression: il n'est donc pas envisageable de satisfaire de façon économique tous les besoins courants en eau de boisson, notamment dans une habitation individuelle, avec de l'eau osmosée. On sait par ailleurs qu'il est nécessaire de parfaitement éliminer les particules et colloïdes présents dans l'eau que l'on veut passer dans un osmoseur pour ne pas colmater ce dernier irréversiblement. De plus un balayage de la surface de la membrane d'osmose est nécessaire pour limiter la concentration en espèces retenues à la surface, une trop forte concentration entraînant une chute significa- tive du taux de rejet et de la perméabilité. Ce balayage est souvent réalisé en eau perdue, ce qui entraîne une consomma- tion importante d'eau. L'invention a donc essentiellement pour but de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'état actuel de la technique et de proposer une solution originale qui donne satisfaction aux diverses exigences de la prati- que. A ces fins, selon un premier de ses aspects, l'invention propose un procédé perfectionné de traitement d'eau qui se caractérise en ce qu'on soumet l'eau à traiter à une filtration membranaire, de préférence une ultrafiltra- tion, pour satisfaire le besoin d'un débit relativement élévé en eau d'utilisation courante et en ce que, pour satisfaire le besoin d'un débit plus réduit en eau de qualité améliorée, on soumet de l'eau provenant de la filtration membranaire à une filtration par osmose inverse, tandis que, en dehors des périodes de production d'eau filtrée par osmose inverse, on fait balayer la face amont de la membrane d'osmose par le flux d'eau de filtration membranaire consommée. Grâce au procédé de l'invention, on met en oeuvre chaque procédé de traitement d'eau: filtration membranaire et osmose inverse, dans son propre domaine d'utilisation caractérisé par le débit maximum d'eau traitée. En outre et surtout, le nettoyage régulier de la membrane d'osmose est dévolu au flux d'eau de filtration membranaire consommée. On évite ainsi d'avoir recours à un flux d'eau de nettoyage spécifique qui, dans les installations traditionnelles de filtration par osmose inverse, est ensuite rejeté à l'égout. Certes ce balayage de la membrane d'osmose n'est pas effectué à des intervalles de temps strictement réguliers et pendant des durées strictement prédéterminées. Toutefois, la consommation en eau pour usage courant, notamment dans une habitation individuelle, est aujourd'hui telle que l'on est assuré d'un nettoyage satisfaisant de la membrane d'osmose sur une période de temps de l'ordre de la journée. Enfin ce nettoyage s'effectue de façon entièrement automatique, c'est-àdire non seulement sans intervention manuelle, mais aussi sans recours à un mécanisme ou automa- tisme quelconque. La mise en oeuvre du procédé de l'invention permet donc de satisfaire tous les besoins en eau, aussi bien en eau de boisson d'usage courant qu'en eau de boisson de qualité améliorée, dans des conditions de débits respectifs appropriés et dans des conditions d'entretien de la membrane d'osmose satisfaisantes et économiques. Selon un second de ses aspects, l'invention propose une installation de traitement d'eau mettant en oeuvre le procédé précédent, qui se caractérise en ce qu'elle comporte: - une arrivée d'eau à traiter, - une unité de filtration membranaire, de préférence une unité d'ultrafiltration, ayant une entrée raccordée à ladite arrivée d'eau à traiter, - une unité de filtration par osmose inverse comportant au moins une membrane d'osmose et possédant: une entrée d'eau de filtration membranaire qui est raccordée à la sortie de la susdite unité de filtration membranaire et qui est située en amont de la susdite membrane d'osmose, une sortie d'eau osmosée située en aval de la susdite membrane d'osmose et raccordée à une sortie d'eau osmosée de l'installation, une sortie d'eau de filtration membranaire située en amont de la membrane d'osmose et raccordée à une sortie d'eau de filtration membranaire de l'installation, les susdites entrée et sortie d'eau de filtration membranaire prévues dans l'unité de filtration par osmose inverse étant disposées de manière que le flux d'eau de filtration membranaire consommée à la sortie d'eau de filtration membranaire de l'installation circule de ladite entrée à ladite sortie à travers l'unité de filtration par osmose en amont de la membrane d'osmose en balayant la face amont de la membrane d'osmose, ce grâce à quoi l'installation possède - une sortie d'eau osmosée (eau de qualité améliorée) à relativement faible débit et - une sortie d'eau de filtration membranaire (eau d'utili- sation courante) à débit relativement plus important en provenance de l'unité de filtration membranaire après balayage de la membrane d'osmose. Dans un mode de réalisation simple, dans l'unité de filtration par osmose inverse, l'entrée et la sortie d'eau de filtration membranaire sont situées à des extrémités opposées de la membrane d'osmose. Pour faciliter le fonctionnement de l'installation, notamment au cours des phases de nettoyage de l'unité de filtration membranaire dont question ci-après, il est souhaitable de prévoir qu'entre la sortie d'eau de filtra- tion membranaire de l'unité de filtration par osmose et la sortie d'eau de filtration membranaire de l'installation est disposé un ballon de stockage d'eau de filtration membranai- re. Dans un mode de réalisation pratique de l'installa- tion, on prévoit un circuit de nettoyage de l'unité de filtration membranaire par mise en circulation inverse d'eau de filtration membranaire, qui comprend un premier conduit entre la sortie d'eau de filtration membranaire de l'unité de filtration par osmose et l'extrémité de sortie de l'unité de filtration membranaire et un second conduit raccordant l'extrémité d'entrée de l'unité de filtration membranaire à une évacuation; ce circuit de nettoyage peut comprendre un réservoir de produit de nettoyage qui est en parallèle sur le susdit premier conduit et qui est insérable sélectivement dans le premier conduit. En particulier, il est avantageux que l'unité de filtration membranaire comporte au moins trois modules de filtration membranaire en parallèle pour assurer une disponibilité permanente d'eau en sortie tout en autorisant les cycles d'entretien et de nettoyage. Pour satisfaire l'équipement de l'installation, on peut prévoir qu'en amont de l'unité de filtration membra- naire soit prévu un dispositif de filtrage grossier de l'eau à traiter et/ou une pompe de gavage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré donné uniquement à titre d'exemple non limitatif. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 3 sont des schémas simplifiés d'une installation conforme à l'invention illustrée respectivement dans plusieurs configurations fonctionnelles. L'installation illustrée à la figure 1 comprend essentiellement une unité de filtration membranaire désignée dans son ensemble par la référence numérique 1 et, en série avec celle-ci, une unité de filtration par osmose inverse désignée dans son ensemble par la référence numérique 2. L'unité de filtration membranaire 1 possède une entrée d'eau à traiter 3 raccordée à une arrivée d'eau 4, (par exemple eau potable d'un réseau de distribution), de préférence par l'intermédiaire d'un préfiltre 5 de filtrage grossier et éventuellement, si la pression à l'arrivée d'eau 4 est insuffisante, par l'intermédiaire d'une pompe de gavage 6. L'unité de filtration membranaire 1 peut être de tout type approprié et avoir toute conformation souhaitée. De préférence, elle est du type à ultrafiltration et est constituée d'une pluralité de modules en parallèle (quatre sur le dessin) dans un but qui sera indiqué plus loin. La sortie 7 d'eau de filtration membranaire (ici ultrafiltrée) de l'unité 1 est raccordée à l'entrée 8 de l'unité de filtration par osmose inverse 2. L'entrée 8 est située en amont d'au moins une membrane d'osmose 9 renfermée dans l'unité 2. L'unité 2 comporte une sortie 10, située en aval de la membrane d'osmose 9 et délivrant de l'eau soumise au processus de filtration par osmose inverse (eau osmosée OS). Enfin, l'unité 2 comporte une autre sortie 11 située en amont de la membrane d'osmose 9 et délivrant de l'eau de filtration membranaire (désignée symboliquement par UF) n'ayant pas été soumise à un processus de filtration par osmose inverse. Dans cette installation, toute l'eau de filtration membranaire UF qui est consommée est contrainte, après sa sortie de l'unité de filtration membranaire 1, de traverser l'unité de filtration par osmose inverse 2 en circulant en amont de la membrane d'osmose 9 (de préférence l'entrée 8 et la sortie 11 sont situées à des extrémités opposées de la membrane 9). Par conséquent, la face amont de la membrane 9 est balayée et nettoyée par le flux d'eau de filtration membranaire chaque fois qu'une consommation de celle-ci est requise. Comme il s'agit d'une eau de boisson destinée à l'utilisation courante qui peut être délivrée par l'instal- lation avec un débit important (le nombre des modules de filtration membranaire est déterminé en conséquence), on est ainsi assuré que la membrane d'osmose est maintenue en permanence dans un état de propreté satisfaisant. Quant à l'eau osmosée OS délivrée par l'unité d'osmose inverse 2, elle est fournie certes avec un débit faible inhérent au déroulement du processus d'osmose inverse, mais sans toutefois qu'il en résulte un inconvé- nient notable puisque cette eau de boisson, de qualité améliorée, est réservée à un usage restreint. Grâce à cet agencement, on obtient une distribution d'eau de boisson filtrée appropriée aux besoins, avec la membrane d'osmose maintenue en état de fonctionnement de façon automatique et permanente, par le seul effet de la consommation d'eau UF délivrée par l'unité de filtration membranaire. Sur la figure 1, on a représenté par un trait gras le circuit de l'eau depuis l'arrivée 4 jusqu'aux sorties UF et OS. Pour faciliter le fonctionnement de l'installation et éviter la mise en marche de l'unité de filtration membranaire 1 même si une faible quantité d'eau UF ou OS est demandée, on connecte à la sortie 11 de l'unité de filtra- tion par osmose 2 un ballon 12 formant réserve tampon d'eau de filtration membranaire UF. Pour le reste, l'installation peut être agencée de toute manière appropriée à l'obtention d'un fonctionnement correct, notamment pour ce qui concerne son nettoyage et son contrôle périodiques. En particulier, dans le procédé d'ultrafiltration les membranes d'ultrafiltration nécessitent d'être nettoyées régulièrement par mise en circulation à contresens d'eau ultrafiltrée sous forte pression (rétrolavage). Cette nécessité conduit en pratique à réaliser l'unité avec une pluralité de modules d'ultrafiltration en parallèle et isolables les uns des autres afin qu'un module à nettoyer puisse être alimenté en sens inverse sous pression (donc avec un débit important) en eau ultrafiltrée fournie par un, ou mieux deux modules fonctionnant en sens direct, et éventuellement en même temps qu'un autre module reste disponible pour fournir de l'eau UF à consommer si la demande en est faite. C'est ainsi qu'on est en pratique conduit à consti- tuer l'unité de filtration membranaire avec au moins deux modules en parallèle (avec impossibilité de fournir de l'eau de consommation pendant la phase de nettoyage), avantageuse- ment avec trois modules ou de préférence avec quatre modules, ce dernier cas étant illustré à la figure 1. On notera ici que le ballon 12 joue un rôle impor- tant pendant les phases de nettoyage des modules, soit qu'il assure seul la fourniture d'eau UF à la consommation si aucun module n'est disponible à cet effet, soit qu'il contribue à la fourniture d'eau pour le nettoyage d'un module. Dans ces conditions, on met en oeuvre un circuit auxiliaire de nettoyage 13, connecté sur la sortie Il de l'unité de filtration par osmose 2, d'un côté, et les extrémités côté sortie des divers modules 14 de l'unité de filtration membranaire 1, de l'autre côté. De plus, les extrémités côté entrée des divers modules sont toutes raccordées en 15 à une évacuation (égout). Pour pouvoir réaliser les diverses interconnexions sélectives des modules entre eux et/ou avec le reste de l'installation, chaque module reçoit, à chaque extrémité, une vanne deux voies 16 sélectionnant soit le conduit de circulation directe (filtration), soit le conduit de circulation inverse (nettoyage); des moyens de commande des vannes (non montrés) permettent de faire en sorte que deux modules de filtration 14 en parallèle fournissent de l'eau filtrée dirigée vers un troisième module pour le nettoyage de celui-ci. Le nettoyage des modules s'effectuant avec de l'eau salée, on associe au circuit de nettoyage 13 un générateur d'eau salée 17 comportant un bac à sel. Le générateur d'eau salée 17 est disposé en parallèle sur le circuit 13 et est insérable sélectivement dans le circuit, par exemple au moyen de deux électrovannes amont et aval 18. A titre d'exemple on a représenté aux figures 2 et 3 un processus de nettoyage d'un des modules 14, alimenté à contre-sens par deux modules en parallèle 142 et 143, tandis que le quatrième module 144 reste disponible pour satisfaire une éventuelle demande de consommation en eau UF. En se référant tout d'abord à la figure 2, la phase de nettoyage chloré du module 14, par l'eau salée consiste à prélever l'eau UF stockée dans le ballon 12 sous débit constant et à lui faire traverser le générateur 17 afin qu'elle se charge en sel (chlorure de sodium par exemple). Par excitation d'une électrode prévue dans le circuit 13, l'eau salée est transformée en eau chlorée et traverse le module 14, à contresens, pour ensuite être évacuée à l'égout. Après un certain temps, le générateur 17 est court- circuité, et de l'eau UF est envoyée à contresens dans le module 14, pour le rinçage du circuit et du module (élimina- tion notamment des traces de chlore). A la figure 3 est représentée une phase de nettoyage chimique de tous les modules 14. Une cuve 19 contenant du produit lessiviel est connectée à la pompe 6 qui fait circuler le liquide de nettoyage dans le sens direct dans les modules 14, le produit de nettoyage étant ensuite ramené à la cuve par la ligne 13 (ligne en traits gras sur la figure 3). Une fois le cycle de nettoyage achevé, une électrovanne 20 prévue à la sortie de la cuve dirige le produit de nettoyage sur la ligne 15 en direction de l'égout (tirets gras sur la figure 3). A la fin de ce cycle, le rinçage de l'ensemble est obtenu en faisant circuler, par la pompe 6, de l'eau à traiter prélevée en 4 à travers les modules 14, puis en évacuant l'eau de filtration membranaire ainsi obtenue par la ligne 13, à travers la cuve 19, et par la ligne 15 vers l'égout. On notera que le cycle de nettoyage en eau chlorée décrit plus haut en regard de la figure 2 fait appel à une circulation d'eau de filtration membranaire prélevée à la sortie 11 de l'unité de filtration par osmose ou prélevée dans le ballon 12. Dans les deux cas, il s'agit d'une eau qui a effectué, au préalable, un balayage de la face amont de la membrane d'osmose 9. Ainsi, la membrane d'osmose est nettoyée non seulement par l'eau de filtration membranaire tirée en sortie pour la consommation courante à l'extérieur de l'enceinte, mais aussi par l'eau de filtration membra- naire mise en circulation dans le cycle de nettoyage chloré, ce qui multiplie les phases de nettoyage de la membrane d'osmose. Bien entendu, l'installation peut comporter d'autres organes et/ou cycles fonctionnels nécessaires à son fonc- tionnement fiables, mais qui n'ont pas d'incidence directe sur l'objet de l'invention et qui ne sont pas décrits ici (par exemple test d'intégrité des membranes des modules 14 effectué avec de l'air comprimé; cycles de purge/rinçage; cycle de nettoyage du préfiltre 5; etc.). De même certains cycles, tel que le cycle de nettoyage chloré, a été décrit plus haut à titre d'exemple dans un fonctionnement à contresens. Toutefois d'autres modes de fonctionnement sont envisageables (circulation de l'eau chlorée en sens direct par exemple). En définitive, la mise en oeuvre de l'invention procure de nombreux avantages: - utilisation de l'eau de filtration membranaire pour balayer à grand débit et fréquemment la surface amont de la membrane d'osmose, conduisant à une économie de l'eau nécessitée par ce nettoyage; - balayage de la face amont de la membrane d'osmose par la totalité de l'eau de filtration mebranaire utilisée aussi bien pour la consommation que pour l'entretien de l'ins- tallation, ce qui accroît l'importance et la fréquence de ce balayage; utilisation d'un ballon de réserve d'eau de filtration membranaire servant de tampon et évitant la mise en marche de l'ensemble de l'installation lorsqu'est demandée une petite quantité d'eau de filtration membranaire ou d'eau osmosée; - séparation des circuits de distribution, en aval de l'unité de filtration membranaire, en fonction des capacités de production propre respectives de l'unité de filtration membranaire et de l'unité de filtration par osmose, permettant de réduire la taille et le coût de l'installation; - facilité d'adaptation des séquences de fonctionnement de l'installation en fonction des besoins; - facilité d'automatisation du fonctionnement de l'installa- tion quel que soient le nombre et la nature des fonctions, et y compris pour l'entretien de l'unité de filtration par osmose. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'eau, caractérisé en ce qu'on soumet l'eau à traiter à une filtration membranaire (1) pour satisfaire le besoin d'un débit relativement élévé en eau d'utilisation courante (UF) et en ce que, pour satisfaire le besoin d'un débit plus réduit en eau de qualité améliorée (OS), on soumet de l'eau provenant de la filtration membranaire à une filtration par osmose inverse (2), tandis que, en dehors des périodes de production d'eau filtrée par osmose inverse, on fait balayer la face amont de la membrane d'osmose (9) par le flux d'eau de filtration membranaire consommée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la filtration membranaire (1) est une ultrafiltra- tion. 3. Installation de traitement d'eau mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1 ou 2, caractéri- sée e ce qu'elle comporte: - une arrivée d'eau à traiter, - une unité de filtration membranaire (1) ayant une entrée (3) raccordée à ladite arrivée d'eau à traiter (4), - une unité de filtration par osmose inverse (2)comportant au moins une membrane d'osmose (9) et possédant: 25. une entrée (8) d'eau de filtration membranaire qui est raccordée à la sortie (7) de la susdite unité de filtra- tion membranaire (1) et qui est située en amont de la susdite membrane d'osmose (9), une sortie (10) d'eau osmosée située en aval de la susdite membrane d'osmose (9) et raccordée à une sortie d'eau osmosée (OS) de l'installation, une sortie (11) d'eau de filtration membranaire située en amont de la membrane d'osmose (9) et raccordée à une sortie d'eau de filtration membranaire (UF) de l'installa- tion, les susdites entrée (8) et sortie (11) d'eau de filtra- tion membranaire prévues dans l'unité de filtration par osmose inverse (2) étant disposées de manière que le flux d'eau de filtration membranaire consommée à la sortie d'eau de filtration membranaire de l'installation circule de ladite entrée (8) à ladite sortie (11) à travers l'unité de filtration par osmose (2) en amont de la membrane d'osmose (9) en balayant la face amont de la membrane d'osmose, ce grâce à quoi l'installation possède - une sortie d'eau osmosée (eau de qualité améliorée) à relativement faible débit et - une sortie d'eau de filtration membranaire (eau d'utilisa- tion courante) à débit relativement plus important en provenance de l'unité de filtration membranaire après balayage de la membrane d'osmose. 4. Installation selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que l'unité de filtration membranaire est une unité d'ultrafiltration. 5. Installation selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que, dans l'unité de filtration par osmose inverse (2), l'entrée (8) et la sortie (11) d'eau de filtration membranaire sont situées à des extrémités opposées de la membrane d'osmose (9). 6. Installation selon l'une quelconque des revendi- caitons 3 à 5, caractérisée en ce qu'entre la sortie (11) d'eau de filtration membranaire de l'unité de filtration par osmose (2) et la sortie d'eau de filtration membranaire de l'installation est disposé un ballon (12) de stockage d'eau de filtration membranaire. 7. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit de nettoyage de l'unité de filtration membranaire par mise en circulation inverse d'eau de filtration membra- naire, qui comprend un premier conduit (13) entre la sortie (11) d'eau de filtration membranaire de l'unité de filtra- tion par osmose (2) et l'extrémité de sortie de l'unité de filtration membranaire (1) et un second conduit (15) raccordant l'extrémité d'entrée de l'unité de filtration membranaire (1) à une évacuation. 8. Installation selon la revendication 7, caracté- risée en ce que le circuit de nettoyage comprend un réser- voir (17) de produit de nettoyage qui est en parallèle sur le susdit premier conduit (13) et qui est insérable sélecti- vement (8) dans le premier conduit (13). 9. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 8, caractérisée en ce que l'unité de filtration membranaire (1) comporte au moins trois modules (14) de filtration membranaire en parallèle. 10. Installation selon la revendication 9 et la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que chaque extré- mité de chaque module (14) de filtration membranaire est équipée d'une vanne de sélection (16) positionnable de manière à commander dans ledit module de filtration membra- naire (14) un écoulement d'eau dans le sens direct (filtra- tion) ou dans le sens inverse (nettoyage), et en ce qu'elle comporte des moyens de commande des vannes agencées de manière telle que deux modules de filtration membranaire en parallèle fournissent de l'eau filtrée dirigée vers le troisième module pour le nettoyage de celui-ci. 11. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 10, caractérisée en ce qu'en amont de l'unité de filtration membranaire est prévu un dispositif (5) de filtrage grossier de l'eau à traiter. 12. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 11, caractérisée en ce qu'en amont de l'unité de filtration membranaire est prévue une pompe de gavage (6).