Brevet FR2822150A1 — publié le 20020920

Procédé et installation pour le traitement des eaux mettant en oeuvre au moins un bio-réacteur à membrane immergée. L'invention concerne le domaine du traitement des eaux en vue de leur épuration ou en vue de leur potabilisation. Plus précisément, l'invention concerne le domaine des bio-réacteurs à membranes immergées utilisées classiquement dans ce domaine. Les bio-réacteurs à membranes immergées présentent selon l'art antérieur essentiellement deux configurations. Selon une première configuration, ils comprennent un bassin biologique pourvu de moyens d'amenée des eaux à traiter, dans lequel se développe une biomasse apte à dégrader la pollution carbonée et azotée de l'eau transitant dans le bassin. A l'intérieur est également prévu un jeu de membranes de filtration, destinées à être immergées par l'eau transitant dans le bassin et permettant de filtrer celle-ci. Ce dispositif inclut également une canalisation d'évacuation de l'eau épurée et filtrée coopérant avec des moyens de pompage. De façon à pouvoir ménager au sein du bassin des périodes d'aération et des périodes anoxiques permettant la dégradation de la pollution azotée, le bassin est pourvu classiquement de moyens d'amenée d'air. Selon une autre configuration, les bio-réacteurs comprennent un premier bassin biologique pourvu de moyens d'amenée d'eau à traiter et de moyens d'injection d'air permettant de ménager dans celui-ci des périodes aérées et des périodes anoxiques, et un deuxième bassin communiquant avec le premier bassin biologique dans lequel est prévu un jeu de membranes, reliées à des moyens d'extraction du filtrat. Selon cette configuration, l'installation comprend de plus des moyens de recirculation du contenu du deuxième bassin en amont du premier bassin. Un des inconvénients des bio-réacteurs est constitué par la tendance que présentent les membranes qu'ils intègrent à se colmater. En effet, ces membranes se trouvent en contact avec un milieu relativement chargé constitué par de l'eau à traiter et des boues biologiques présentes dans celles-ci. Pour prévenir le colmatage et, le cas échéant, pour décolmater les membranes des bioréacteurs, il est connu de procéder à l'agitation de celles-ci par injection d'air. Les deux configurations connues de bio-réacteurs décrites ci-dessus sont donc pourvues de moyens d'injection d'air à proximité des membranes. Toutefois, une telle solution a pour inconvénient de nécessiter l'apport de grandes quantités d'air pour obtenir un résultat efficace c'est-à-dire un décolmatage effectif et relativement durable des membranes. L'air contenant une forte proportion d'oxygène, cette injection massive d'air de façon continue périodique perturbe les phases anoxiques nécessaires au processus de dénitrification impliqué dans la dégradation des polluants azotés des eaux à traiter. De plus, il a été constaté que cette injection d'air conduisait la biomasse à générer des substances colmatantes accroissant la vitesse d'encrassement des membranes. L'objectif principal de la présente invention est de proposer des moyens permettant de résoudre ces problèmes. Plus précisément, un des objectifs de l'invention est de proposer un procédé de traitement d'eau à l'aide d'un bio-réacteur mettant en oeuvre une biomasse et au moins une membrane immergée permettant de prévenir le colmatage des membranes ou de décolmater très efficacement les membranes sans impliquer une perturbation du processus de dénitrification. Un autre objectif de l'invention est également de proposer un tel procédé qui conduise à limiter la propension naturelle de la biomasse à produire des produits foisonnant en présence d'oxygène. Encore un autre objectif de la présente invention est de proposer des installations pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Ces différents objectifs ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de traitement d'eau comprenant les étapes consistant à faire transiter ladite eau dans au moins un premier réacteur biologique accueillant une biomasse et à travers au moins une membrane de filtration, ladite membrane étant immergée dans ledit réacteur ou dans un second réacteur communiquant avec ledit premier réacteur, à apporter de l'air ou de l'oxygène pur dans ledit premier réacteur de façon à ménager des phases aérobies et des phases anoxiques dans celui-ci, et à récupérer l'effluent clarifié après passage à travers ladite membrane, ledit procédé comprenant également une étape de nettoyage de ladite membrane par injection en continu ou séquentiellement d'un gaz à proximité ou à l'intérieur de ladite membrane, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un gaz appauvri en oxygène pour procéder à ladite étape de nettoyage de ladite membrane. L'invention propose donc de ne plus utiliser de l'air pour agiter les membranes et prévenir le colmatage de celles-ci ou permettre leur décolmatage, mais un gaz appauvri en oxygène. On notera que l'on entend dans la présente description par gaz appauvri en oxygène, tout gaz dont la teneur naturelle en oxygène a été abaissée par tout moyen. Un tel gaz appauvri en oxygène présente l'avantage de permettre une action mécanique sur les membranes tout en n'apportant pas ou peu d'oxygène à la biomasse environnante et ainsi d'empêcher la perturbation de l'anoxie et le foisonnement bactérien. Selon un premier mode de réalisation, le premier et/ou le second réacteur utilisé est un réacteur fermé, et le procédé consiste à utiliser le gaz appauvri en oxygène présent dans le ciel dudit réacteur fermé pour procéder à l'étape de nettoyage de ladite membrane. En utilisant un réacteur fermé, c'est-à-dire un réacteur permettant de ménager un espace entre le niveau de l'effluent présent dans celui-ci et les moyens de fermeture, ledit espace étant appelé communément par l'homme de l'art"ciel", il est possible de piéger dans le ciel du réacteur l'air procédé ayant transité dans celui-ci et ayant été, durant ce transit, appauvri en oxygène de par l'activité de la biomasse qui l'a consommé. Cet air appauvri en oxygène est, selon cette variante de l'invention, acheminé à proximité des membranes pour nettoyer celles-ci. Selon ce mode de réalisation du procédé, il pourra être envisagé une étape supplémentaire consistant à injecter continûment ou par intermittence un gaz d'appoint contenant peu ou pas d'oxygène dans le ciel du réacteur. Cette injection pourra être nécessaire dans deux cas de figure : - lorsque le débit d'air pour l'apport en oxygène nécessaire à la biomasse dans le premier bassin est inférieur au débit d'air de brassage des membranes ; - dans les cas où il y a des risques de précipitation de sels minéraux (CaC03 par exemple) sur les membranes. Dans ce cas, on aura bénéfice à injecter un gaz de brassage des membranes enrichi en CO2 qui acidifiera la surface des membranes et le milieu liquide à proximité immédiate de celles-ci. Ce gaz d'appoint pourra être constitué notamment par de l'azote, du dioxyde de carbone ou de l'air appauvri en oxygène. Avantageusement, le procédé comprend une étape consistant à réguler automatiquement l'injection du gaz d'appoint par rapport à un point de consigne relatif à la pression dudit gaz et/ou à la concentration en oxygène du ciel gazeux. Un tel procédé présente de nombreux avantages. Le gaz, puisqu'il est appauvri en oxygène, permet de minimiser la propension de la biomasse à se fixer sur les membranes et ainsi à diminuer leur pouvoir colmatant. Par ailleurs, le gaz servant à nettoyer les membranes étant prélevé dans le ciel du réacteur, il est relativement chaud. Sa température permet d'améliorer son efficacité sur le décolmatage des membranes ou la prévention du colmatage de celles-ci. Enfin, on notera que ce gaz se chargera progressivement en CO2 ce qui limitera les dépôts minéraux sur les membranes par acidification de leur surface et du milieu liquide à proximité de celles-ci. Selon une autre variante du procédé selon l'invention, celui-ci comprend une étape consistant à fractionner l'air apporté dans le premier réacteur pour en obtenir une fraction enrichie en oxygène et une fraction appauvrie en oxygène et à utiliser la fraction appauvrie en oxygène pour procéder à l'étape de nettoyage de ladite membrane et la fraction enrichie en oxygène dans le réacteur biologique. L'invention concerne également des installations pour la mise en oeuvre du procédé tel que décrit ci-dessus. Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, l'installation comprend au moins un premier réacteur destiné à recevoir une biomasse et au moins une membrane de filtration prévue dans ledit réacteur ou dans un second réacteur communiquant avec ledit premier réacteur, et des moyens d'apport d'air dans ledit premier réacteur. et est caractérisée en ce qu'au moins un des réacteurs est fermé et en ce qu'elle comprend des moyens d'acheminement du gaz présent dans le ciel du réacteur vers ladite membrane Avantageusement, ces moyens d'acheminement incluent au moins une canalisation reliant la partie supérieure du réacteur à la zone inférieure de la membrane, et des moyens de pompage prévus sur ladite canalisation si nécessaire. Préférentiellement, l'installation inclut aussi des moyens d'injection d'un gaz d'appoint dans le ciel du réacteur. Egalement préférentiellement, l'installation comprend des moyens de régulation automatique de l'injection de gaz d'appoint. Selon une autre variante de l'invention, l'installation comprend au moins un premier réacteur destiné à recevoir une biomasse et au moins une membrane de filtration prévue dans ledit réacteur ou dans un second réacteur communiquant avec ledit premier réacteur, et des moyens d'amenée d'un gaz dans ledit réacteur, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de fractionnement coopérant avec lesdits moyens d'amenée de gaz et des moyens d'acheminement d'une fraction dudit gaz vers ladite membrane. Selon ce mode de réalisation, l'installation présente préférentiellement une canalisation allant des moyens de fractionnement à la dite membrane et des moyens de pompage. L'invention ainsi que ses différents avantages qu'elle présente seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre de modes de réalisation en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente une variante du premier mode de réalisation montré à la figure 2 ; la figure 3 représente une deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 représente une variante du troisième mode de réalisation montré à la figure 3. Selon le premier mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, l'installation de bio-réacteur à membranes comprend un réacteur 1 fermé par un toit la pourvu de moyens d'amenées 20 d'eau à traiter à l'intérieur de ce réacteur 1. Le volume gazeux défini entre la surface de l'eau présente dans le réacteur 1 et le toit la constitue le ciel gazeux 6 du réacteur 1. Ce réacteur 1 est par ailleurs pourvu de moyens 4 d'apport d'air dans sa partie inférieure. Ces moyens 4 peuvent fonctionner de manière intermittente de façon à ménager des phases d'aération et des phases non aérées (phases d'anoxie) propice au processus de nitrification-dénitrification visant à abattre la pollution azotée présente dans l'eau à traiter. L'installation représentée à la figure 1 comprend également un jeu de membranes 3 immergées dans l'eau présente à l'intérieur du réacteur 1 et est pourvue de moyens d'évacuation 21 de l'eau filtrée ayant transitée à l'intérieur de ces membranes. Conformément à la présente invention, l'installation inclut également des moyens 5 d'acheminement du gaz présent dans le ciel 6 du réacteur 1 au pied des membranes 3. Ces moyens 5 incluant une canalisation 8 allant du ciel du réacteur au pied des membranes et une pompe 7 permettant d'aspirer le gaz présent dans le ciel du réacteur et de le dispenser au niveau des membranes afin qu'il prévienne le colmatage de celles-ci ou décolmate effectivement celles-ci. Le fonctionnement de l'installation représenté à la figure 1 est le suivant. L'eau à traiter arrive dans le réacteur 1 par les moyens d'amenée 20. Grâce à l'utilisation des moyens d'apport d'air 4, cette eau subie une alternance de phase d'aération et de non-aération permettant, grâce à une biomasse hébergée à l'intérieur du réacteur 1, de dégrader la pollution carbonée et la pollution azotée de l'eau à traiter. Cette eau passe ensuite à travers les membranes du jeu de membranes 3 de façon à en éliminer les matières en suspension. L'eau épurée et filtrée est ensuite évacuée par les moyens d'évacuation 21. Le gaz appauvri en oxygène présent dans le ciel 6 du réacteur 1 est constitué par l'air ayant transité dans l'eau en traitement présente dans le réacteur. Une partie de l'oxygène présent dans l'air apporté par les moyens 4 a en effet été consommé par la biomasse.. Cet air appauvri en oxygène est acheminé via la canalisation 8 et grâce à la pompe 7 au pied du jeu de membranes 3, ce qui permet ainsi de nettoyer celles-ci. Dans la variante représentée à la figure 2, l'installation comprend non plus un seul réacteur mais deux réacteurs à savoir, un premier réacteur 1 dans lequel sont prévus les moyens d'apport 4 d'air procédé et un deuxième réacteur 2 à l'intérieur duquel est installé le jeu de membranes 3. Les deux réacteurs 1 et 2 communiquent entre eux par un conduit 22. Des moyens de recyclage 23 de l'eau présente dans le réacteur 2 permettent de ré-acheminer une partie de cette eau en amont du premier réacteur 1. Les deux réacteurs 1 et 2 sont fermés par le même toit la. Conformément à la présente invention, des moyens 5 incluant une canalisation 8 reliant le ciel du réacteur 6 au pied des membranes du jeu de membranes 3 et une pompe 7 sont prévus pour acheminer le gaz appauvri en oxygène présent dans le ciel du réacteur 6 au pied des membranes afin de nettoyer celles-ci. Dans le second mode de réalisation représenté à la figure 3, l'installation comprend un réacteur 1 ouvert pourvu de moyens d'amenée d'un gaz 4 et d'un jeu de membranes 3 immergé dans le réacteur 1. Ce réacteur 1 est équipé de moyens d'amenée 20 de l'eau à traiter et de moyens d'évacuation 21 de l'eau filtrée dans le jeu de membranes 3. Selon la présente invention, des moyens de fractionnement 10 de l'air sont prévus et permettent d'obtenir d'une part de l'air enrichi en oxygène acheminé vers les moyens 4 et d'autre part une fraction d'air appauvri en oxygène. Ces moyens de fractionnement pourront être constitués par tout moyens connus de l'homme de l'art et notamment par des tamis, par P. S. A, par perméation gazeuse. L'air enrichi en oxygène est utilisé comme air procédé tandis que l'air appauvri en oxygène est acheminé par des moyens 11 incluant une canalisation 12 et une pompel3 au pied du jeu de membranes 3 pour les nettoyer. Dans la variante représentée à la figure 4, les mêmes moyens sont utilisés à l'exception que dans cette variante, l'installation comprend un premier réacteur 1 dans lequel sont prévus les moyens d'apport de gaz 4 et un deuxième réacteur 2 dans lequel est prévu le jeu de membranes 3. Les modes de réalisation de l'invention ici décrits n'ont pas pour objet de réduire la portée de celles-ci. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'eau comprenant les étapes consistant à faire transiter ladite eau dans au moins un premier réacteur biologique accueillant une biomasse et à travers au moins une membrane de filtration, ladite membrane étant immergée dans ledit réacteur ou dans un second réacteur communiquant avec ledit premier réacteur, à apporter de l'air ou de l'oxygène pur dans ledit premier réacteur de façon à ménager des phases aérobies et des phases anoxiques dans celui-ci, et à récupérer l'effluent clarifié après passage à travers ladite membrane, ledit procédé comprenant également une étape de nettoyage de ladite membrane par injection en continu ou séquentiellement d'un gaz à proximité ou à l'intérieur de ladite membrane, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un gaz appauvri en oxygène pour procéder à ladite étape de nettoyage de ladite membrane. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au moins un réacteur est un réacteur fermé, et en ce qu'il consiste à utiliser le gaz appauvri en oxygène présent dans le ciel dudit réacteur fermé pour procéder à l'étape de nettoyage de ladite membrane. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire consistant à injecter continûment ou par intermittence un gaz d'appoint contenant peu ou pas d'oxygène dans le ciel du réacteur. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit gaz d'appoint est choisi dans le groupe constitué par l'azote (Nz), le dioxyde de carbone (Cûz) et l'air appauvri en oxygène. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à réguler automatiquement l'injection du gaz d'appoint par rapport à un point de consigne relatif à la pression dudit gaz et/ou à la concentration en oxygène du ciel gazeux. 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à fractionner l'air apporté dans le premier réacteur pour en obtenir une fraction enrichie en oxygène et une fraction appauvrie en oxygène et à utiliser la fraction appauvrie en oxygène pour procéder à l'étape de nettoyage de ladite membrane et la fraction enrichie en oxygène dans le réacteur biologique. 7. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 2 à 5 comprenant au moins un premier réacteur (1) destiné à recevoir une biomasse, et au moins une membrane (3) de filtration prévue dans ledit premier réacteur (1) ou dans un second réacteur (2) communiquant avec ledit premier réacteur (3), et des moyens (4) d'apport d'air dans ledit premier réacteur (1), caractérisée en ce qu'au moins un des réacteurs (1,2) est fermé et en ce qu'elle comprend des moyens (5) d'acheminement du gaz présent dans le ciel (6) du réacteur (1,2) vers ladite membrane (3) 8. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 7 caractérisée en ce que lesdits moyens d'acheminement (5) incluent au moins une canalisation (8) reliant la partie supérieure du réacteur à la zone inférieure de la membrane et des moyens de pompage (7) prévus sur ladite canalisation (8). 9. Installation selon la revendication 7 ou 8 caractérisée en ce qu'elle inclut des moyens d'injection d'un gaz d'appoint dans le ciel (6) du réacteur (1,2). 10. Installation selon la revendication 9 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de régulation automatique de l'injection de gaz d'appoint. 11. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 6 comprenant au moins un premier réacteur (1) destiné à recevoir une biomasse et au moins une membrane de filtration (3) prévue dans ledit premier réacteur (1) ou dans un second réacteur (2) communiquant avec ledit premier réacteur (1), et des moyens d'amenée d'un gaz (4) dans ledit réacteur, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de fractionnement (10) coopérant avec lesdits moyens d'amenée de gaz (4) et des moyens d'acheminement (11) d'une fraction dudit gaz vers ladite membrane (3). 12. Installation selon la revendication 11 caractérisée en ce qu'elle présente une canalisation (12) allant des moyens de fractionnement (10) à la dite membrane (3), et des moyens de pompage (13) si nécessaire.