Brevet FR2864068A1 — publié le 20050624

La présente invention concerne un procédé destiné à l'amélioration des performances épuratoires de la filière de traitement de liquide, tels que notamment des effluents, de type coagulation-clarification-filtration sur membrane(s) ainsi qu'à l'amélioration des performances hydrauliques de la ou des membranes au sein d'une telle filière de traitement (maîtrise du colmatage). Les membranes de micro-, ultra-, nano et hyperfiltration sont sensibles au colmatage induit par les différentes substances particulaires, colloïdales ou dissoutes contenues dans les effluents à filtrer, en particulier les eaux matières en suspension, matières organiques, organismes biologiques (notamment bactéries, levures, algues) etc. Dans les faits, ce colmatage se traduit par une diminution des performances hydrauliques de la membrane qui a un fort impact sur la fiabilité et la compétitivité des technologies membranaires. Par ailleurs, certaines de ces substances colmatantes peuvent "traverser" la membrane et réduire la qualité de l'effluent filtré. Ces substances dissoutes qui traversent la membrane peuvent être responsables de goûts, odeurs et constituer des précurseurs de sous-produits d'oxydation, la production de ces sous-produits d'oxydation pouvant intervenir lors de la désinfection ultérieure de ces effluents par exemple par chloration. L'homme de l'art est donc face à une double problématique: - celle du colmatage de la membrane, - et celle de la qualité de l'effluent filtré. Face à ce constat, deux stratégies sont développées conjointement: - Mise en uvre de procédures de lavage des membranes 10 visant à gérer le colmatage et à restaurer les performances hydrauliques. Ces procédures sont largement décrites dans la littérature. - Implantation d'une ou de plusieurs étapes de 15 prétraitement visant à réduire le potentiel colmatant des fluides avant leur mise en contact avec la membrane. Outre la réduction du colmatage de la membrane, les prétraitements apportent généralement une amélioration de la qualité finale 20 de l'effluent filtré. Parmi ces prétraitements, on peut citer notamment la coagulation qui est connue pour permettre l'élimination des matières organiques et des matières colloïdales en suspension (voir notamment le Memento de l'eau, Tome 1, Chapitres 3.1 & 4.1 édité par Degrémont en 1989). En particulier, l'homme de l'art sait que la coagulation par des sels métalliques permet de déstabiliser les colloïdes, d'éliminer certaines matières organiques dissoutes après adsorption sur les flocs formés. L'homme de l'art connaît également l'utilisation de coagulants organiques (polymère cationique à bas poids moléculaires) seuls ou en synergie avec un sel métallique pour réaliser cette étape de coagulation. Pour caractériser cette étape de traitement, il existe plusieurs approches: - par essais de jar test en laboratoire (simulation d'une clarification par décantation) ou de flottatest (simulation d'une clarification par flottation), - par mesure du potentiel Zéta (pZ) (également qualifiée de mesure de la mobilité électrophorétique) et surtout l'évolution du dit pZ en fonction des doses de coagulant, jusqu à déterminer la dose qui annule le pZ et qui correspond donc au taux de traitement requis pour obtenir une coagulation optimale. Ces deux approches conduisent à définir une dose de coagulant, dite "dose optimale de coagulation" qui selon l'expérience acquise par l'homme de l'art est la dose qui permet une clarification optimisée, une bonne qualité de l'eau clarifiée et qui, par conséquent va assurer les meilleures conditions de fonctionnement pour la membrane (c'est à dire les conditions les moins encrassantes ou colmatantes pour la membrane). Cette dose dite "dose optimale" est exprimée en concentration de "matières actives". L'homme de l'art 30 connaît alors: une concentration massique ou molaire de métal pour le ou les coagulants de nature minérale comme par exemple les sels de fer ou d'aluminium, - une concentration massique ou volumique de produit commercial ou de produit actif, en fonction des indications du fournisseur, dans le cas des coagulants organiques. Enfin, l'homme de l'art caractérise l'emploi en synergie de coagulant (s) minéral (aux) et organique (s) par deux concentrations respectives de matières actives telles que définies précédemment. Ces deux concentrations sont généralement associées à une concentration globale équivalente en métal. Dans le cas des technologies membranaires peu sensibles à la teneur en matières en suspension du fluide à filtrer, la clarification est réalisée directement sur la membrane en s'affranchissant de l'étape intermédiaire de décantation ou de flottation. C'est ainsi que, dans la littérature, de nombreuses publications évoquent l'utilisation ou l'injection de sel (s) métallique (s) en amont des traitements sur membranes. Il est à souligner que ces publications mentionnent des doses proches de celle annulant le pZ ou, tout au moins, des doses élevées, avoisinant 30 et plus de la dose dite optimale pour annuler le pZ. Pour les fluides fortement pollués et/ou les technologies membranaires sensibles à la teneur en matières en suspension du fluide à filtrer, il est usuel de mettre en oeuvre une étape de clarification (décantation ou flottation) en amont de la membrane. Dans cette configuration, la qualité de l'effluent filtré est d'autant plus élevée et le colmatage de la membrane d'autant plus réduit que les étapes préliminaires de coagulationclarification sont optimisées, en particulier par la mise en uvre de la dose optimale de coagulant en amont du décanteur ou flottateur. En effet, le colmatage de la membrane est alors d'autant plus réduit que la coagulation produit des particules avec un pZ proche de zéro (LahoussineTurcaud V., Weisner M.R., Bottero J.Y. et Mallevialle J., 1990, Coagulation pretreatment for ultrafiltration of a surface water, J. Am. Water work Assoc., 81, 76-81). et que le fluide à filtrer sur la membrane est exempt de floc (Soffer Y., Ben Aim R., Adin 1. (2000) Membrane for water reuse: effect of precoagulation on fouling and selectivity, Water science and technology, 42 (1-2), 367 - 372). La présente invention s'est fixé notamment pour 20 objectifs: d'améliorer la qualité du fluide traité par une filière de type coagulationclarificationfiltration sur membrane(s), de réduire le colmatage de la ou des membranes et 25 d'améliorer leurs performances hydrauliques, et de parvenir à ce résultat technique tout en améliorant l'économie du procédé, c'est à dire: sans augmenter la dose de réactifs et si possible en 30 la réduisant, augmenter significativement le flux de production (1/h.m2), réduire la surface de membrane à installer. Le titulaire a constaté de manière surprenante pour l'homme de l'art qu'une conduite dégradée de l'étape de coagulation-clarification (dose de réactif inférieure à la dose optimale de coagulation) associée à une seconde étape de coagulation en amont de l'étape de filtration sur membrane(s) permettait d'améliorer significativement la qualité de l'effluent filtré et de réduire le colmatage des membranes et ce, tout en conservant une dose globale de coagulant inférieure ou égale à la dose optimale de coagulation. Ce constat est d'autant plus surprenant qu'il implique en amont de la ou des membranes une qualité d'eau dégradée et la présence de flocs censés, selon l'homme de l'art, augmenter le pouvoir colmatant du fluide à filtrer. Ainsi selon la présente invention, on effectue une double injection d'un ou de plusieurs réactifs de coagulation respectivement en une première zone située en amont de l'étape de clarification et en une seconde zone en amont de l'étape de filtration sur membranes. Selon l'invention, chaque zone de coagulation peut être alimentée par deux ou plusieurs points d'injection de façon à permettre une addition plus progressive de la même dose de réactifs ou d'éviter des interférences chimiques lorsque l'on est amené à utiliser des réactifs susceptibles de réagir les uns sur les autres. Pour un effluent brut donné, caractérisé par sa dose optimale de coagulation, la double coagulation sur membranes, objet de la présente invention, se caractérise par une répartition de l'injection de/des coagulant(s) entre la clarification et la filtration sur membranes dans les proportions suivantes: 75,0 à 125 % de la dose optimale de coagulant est injectée en amont de l'étape de clarification et 0,1 à 25,0 % de la dose optimale est injectée, en amont de l'étape de filtration sur membranes. Selon un mode de mise en oeuvre de ce procédé, l'injection d'un ou plusieurs réactifs de coagulation est respectivement de 75,0 à 99,9%, de préférence de 80,0 à 99,9%, en amont de l'étape de clarification et de 0, 1 à 20,0%, en amont de l'étape de filtration sur membranes. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, l'injection d'un ou de plusieurs réactifs de coagulation est respectivement de 90,0 à 99,9% en amont de l'étape de clarification et de 0,1 à 10% en amont de l'étape de filtration sur membranes. La présente invention se caractérise également par la possibilité d'injecter des réactifs de natures chimiques différentes respectivement en amont de l'étape de clarification et de l'étape de filtration sur membranes. Cette conduite étagée du prétraitement par coagulation-clarification en amont de la ou des membranes présente en effet de nombreux avantages: en premier lieu, il est observé une réduction du colmatage de la membrane, ce qui dans les faits permet d'améliorer les performances hydrauliques de la membrane et de réduire la surface de membrane à installer (diminution des coûts d'installation et d'exploitation), - le colmatage de la membrane étant mieux maîtrisé, on observe une exploitation et des procédures de lavage plus faciles à mettre en uvre (réduction du coût d'exploitation lavages moins fréquents, concentration plus faible en réactif(s) de lavage), - les deux points précédents se traduisent dans les faits par une réduction des rejets (pertes en eau) et plus globalement une pratique plus respectueuse de l'environnement. Pour un dosage global de réactif de coagulation inférieur ou égal à la dose optimale de coagulation, la mise en uvre du procédé objet de la présente invention se traduit également par: - une meilleure qualité finale de l'effluent filtré comme l'illustrent les exemples cités ci-après, - la possibilité de mettre en oeuvre respectivement deux réactifs (ou mélange de réactifs) de coagulation de nature différente et/ou deux conditions de coagulation différentes (condition de pH par exemple) en amont du clarificateur et en amont de la membrane, ceci afin d'optimiser au mieux successivement la clarification par décantation ou flottation, puis la clarification par membrane, - une possible réduction des coûts de réactif (cas d'une dose de réactif inférieure à la dose optimale de coagulation), - dans le cas d'un recyclage des eaux de lavage de la membrane contenant du réactif de coagulation en amont du clarificateur (décanteur ou flotatteur), il est également observé une amélioration de la première étape de clarification et en particulier une réduction du temps de floculation par effet "masse de contact" bien connu sur les décanteurs à lit de boue ou à recirculation de boue. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, 10 en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue schématique illustrant une installation mettant en oeuvre le procédé objet de cette invention et, la figure 2 représente les courbes illustrant les avantages et effets techniques apportés par l'invention. En se référant à la figure 1, on voit que le dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention comporte un coagulateur-floculateur 1 ainsi qu'un clarificateur 2 (flottateur ou décanteur) dans lesquels est admis le fluide brut à traiter. Ce dispositif peut également comprendre un second coagulateur-floculateur 3. Après clarification, le fluide est filtré sur une ou plusieurs membranes 4 de micro-, ultra-, nano- ou hyper-filtration. Selon l'invention, une double injection d'un ou de plusieurs réactifs de coagulation et, à cet effet, on prévoit deux zones d'injection, comme indiqué sur la figure 1. - une zone numéro 1 en amont de l'étape de clarification, cette injection correspondant à 75,0 à 125 % de la dose optimale de coagulation c'est-à-dire à la dose annulant le potentiel Zéta (pZ), ou de 75,0 à 99,9 % de cette dose ou bien de 90,0 à 99,9% de cette dose; - une zone numéro 2 en amont de l'étape de filtration sur membrane(s), cette injection correspondant à 0,1 à 25,0 % de la dose optimale de coagulation c'est-à-dire à la dose annulant le potentiel Zéta (pZ), ou de 0,1 à 20,0 % de cette dose ou bien de 0,1 à 10% de cette dose. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque zone de coagulation n 1 et/ou n 2 peut être alimentée par deux ou plusieurs points d'injection ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus. Selon l'invention, les réactifs de coagulation peuvent être constitués d'un mélange de réactifs. Par ailleurs, les réactifs injectés dans la zone numéro 1 peuvent être différents de ceux injectés dans la zone numéro 2. De même, les conditions de coagulation, notamment de pH peuvent être différentes pour les deux étapes de coagulation, ces conditions pouvant impliquer une correction de pH en amont de l'une ou des deux étapes de coagulation. Ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 1, les eaux de lavage de la ou des membranes 4 sont recyclées en amont de l'étape de clarification. Afin de faire ressortir les avantages et effets techniques apportés par l'invention, on a donné ci-après des exemples comparatifs de mise en oeuvre. Exemple 1: Les essais ont porté sur le traitement d'une eau de surface (Seine) dont les caractéristiques sont résumées (en colonne EB) dans le tableau ciaprès. En essai de laboratoire, la dose optimale jar test annulant le pZ de l'eau à traiter est de 60mg/l de FeC13. Deux essais de traitement de cette eau de surface, par une filière de type coagulation-floculation-décantation- filtration suivie d'une membrane d'ultrafiltration, ont été réalisés en parallèle: - Filière 1 exploitée selon les recommandations de l'homme de l'art, soit une injection de 100% de la dose 20 optimale jar test en amont du décanteur (60 mg/1 FeCl3), Filière 2 exploitée selon la présente invention avec une injection de 50 mg/1 FeCL3 en amont du décanteur (soit 83,3 % de la dose optimale de coagulation) et 5 mg/1 de FeCl3 en amont de la membrane (soit 8,3% de la dose optimale de coagulation). Les résultats obtenus sont illustrés par le tableau et par la figure 2. La double coagulation, objet de la présente invention et mise en uvre selon les conditions énoncées ci-dessus, induit une amélioration significative de la qualité de l'effluent traité : + 4 à +10 % de rendement d'élimination des matières organiques (Oxydabilité, W, COT, Absorbance UV) pour la filière de traitement n 2. Par ailleurs, en dépit d'une dégradation de la qualité de l'eau décantée et la présence de floc dans l'effluent au contact de la membrane, on observe une réduction significative du colmatage de la membrane. Cette réduction se traduit par une augmentation de 30% du flux de filtration au travers de la membrane pour une même pression transmembranaire appliquée de 0,55.105 Pa (figure 2). Cette réduction du colmatage de la membrane est telle qu'elle a autorisé une augmentation de la durée du cycle de filtration de 30 à 45 min. On remarquera en particulier que ces améliorations sont obtenues avec un dosage global de réactif de seulement 91,6 % de la dose optimale de coagulation, soit une réduction de la consommation de réactifs de l'ordre de 10%. Tableau Qualité des effluents Filière 1 Filière 2 EB ED EUF % ED EUF % MeS (mg/L) 52,5 Exemple 2: L'essai a porté sur le traitement d'une eau de mer dont les caractéristiques sont les suivantes: - Turbidité : 0,42 NTU - Absorbance UV 254 nm: 0,87 m-1 - SDI15: 15 %/Min En essai laboratoire, la dose optimale déterminée par flottatest est de 10 mg/1 de FeC13. Deux filières de traitement de type coagulationflottation-filtration suivi de membrane(s) d'ultrafiltration ont été exploitées en parallèle: Filière 1 exploitée selon l'homme de l'art avec une injection de 10 mg/1 de FeC13 en amont du flottateur, soit 100% de la dose optimale de coagulation, - Filière 2 exploitée selon la présente invention avec une injection de 8 mg/1 de FeC13 en amont du flottateur (soit 80% de la dose optimale de coagulation) et 2 mg/1 de FeC13 en amont de la membrane d'ultrafiltration (soit 20%) de la dose optimale de coagulation. La mise en oeuvre de la double coagulation selon la présente invention dans les conditions énoncées ci-dessus a permis d'améliorer la qualité du perméat: - le SDI du perméat de la filière 2 est de 1,7 contre 2,4 pour la filière 1, - l'absorbance UV de la filière 2 est de 0,230 contre 0,296 pour la filière 1. Dans ce cas, pour un même taux d'encrassement de la membrane (perméabilité constante), le flux de filtration 25 a pu être augmenté de 23%. Il demeure bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux exemples de mise en oeuvre décrits et/ou représentés mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de fluides, notamment d'eaux usées associant des étapes de coagulation/ floculation, clarification par décantation ou flottation et une étape de filtration sur membranes de micro-, ultra-, nano ou hyper-filtration, caractérisé en ce qu'il comporte une double injection d'un ou de plusieurs réactifs de coagulation, respectivement 75, 0 à 125 % de la dose optimale de coagulation ou dose annulant le potentiel Zeta (pZ), dans une zone située en amont de l'étape de clarification et 0,1 à 25,0 % de la dose optimale annulant le pZ, dans une seconde zone située en amont de l'étape de filtration sur membranes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque zone de coagulation est alimentée par un ou plusieurs points d'injection. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injection d'un ou plusieurs réactifs de coagulation est respectivement de 75,0 à 99,9 %, de préférence de 80,0 à 99,9 % en amont de l'étape de clarification/floculation et de 0,1 à 20,0 % en amont de l'étape de filtration sur membranes. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'injection d'un ou plusieurs réactifs de coagulation est respectivement de 90,0 à 99,9% en amont de l'étape de clarification et de 0,1 à 10% en amont de l'étape de filtration sur membranes. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les réactifs de coagulation sont constitués d'un mélange de réactifs de coagulation. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les réactifs de coagulation injectés en amont de l'étape de clarification sont différents du ou des réactifs de coagulation injectés en amont de l'étape de filtration sur membranes. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conditions de coagulation, notamment de pH, sont différentes pour les deux étapes de coagulation. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites conditions de coagulation impliquent une correction de pH en amont de l'une ou des deux étapes de coagulation. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les eaux de lavage de la membrane sont recirculées en amont de l'étape de clarification.