Brevet FR2875146A1 — publié le 20060317

INSTALLATION DE TRAITEMENT D'EFFLUENTS, ET PROCEDE DE CLARIFICATION ET DE FILTRATION UTILISANT CETTE INSTALLATION L'invention concerne une installation de traitement d'effluents et un procédé de clarification et de filtration utilisant cette installation. Plus particulièrement, l'invention concerne les installations de traitement de clarification par coagulation/floculation/décantation et de filtration sur membrane d'effluents, notamment de l'eau. Les membranes de filtration (micro-, nano-, ultra- et hyperfiltration) permettent d'assurer l'élimination de l'ensemble des particules dont le diamètre est supérieur à la taille des pores de la membrane, et d'une partie de la fraction dissoute lorsque la taille des molécules est supérieure au seuil de coupure de la membrane. Utilisée seule, la filtration sur membrane se voit exposée à un risque de colmatage important de par la teneur de l'eau brute d'alimentation en matières en suspension (MeS), en matières colloïdales et dissoutes: le flux de dimensionnement des installations de traitement sur membranes est limité par le pouvoir colmatant de l'eau et l'exploitation des installations ainsi conçues est sujette à des difficultés et à un manque de fiabilité liés aux fluctuations de la qualité de l'eau à filtrer. D'autre part, les matières colloïdales et dissoutes passant à travers la membrane lors de l'étape de filtration peuvent, suivant la qualité de l'eau brute, atteindre des concentrations dans l'eau filtrée non conformes aux limites de qualité fixées par la réglementation en matière d'eau destinée à la consommation humaine et par les utilisateurs ayant des exigences particulières de qualité, notamment dans l'industrie. C'est la raison pour laquelle les procédés de clarification sur membrane doivent être, dans de nombreux cas, associés à d'autres traitements, notamment des procédés de prétraitement par coagulation. Une solution consiste à prévoir en amont d'une installation de filtration sur membrane, une installation de pré-clarification par coagulation/floculation avec séparation gravitaire (par décantation ou flottation) de la grande majorité des précipités de coagulant et d'hydroxyde. Un tel couplage permet de diminuer la charge en particules arrivant sur la membrane, la coagulation et l'adsorption 2875146 2 réalisée dans l'installation de prétraitrement éliminant les matières colloïdales et une partie des matières dissoutes. Dans ce cas, le couplage est réalisé par simple juxtaposition de deux installations de traitement, le séparateur gravitaire et le réacteur membranaire immergé ou sous pression, ce qui nécessite une surface au sol considérable. De plus, le dimensionnement du flux de filtration du réacteur membranaire est basé sur une concentration de matières en suspension faible, liée aux performances de l'installation de séparation gravitaire situé en amont, et est donc sensible à toute dégradation du fonctionnement de ce dernier. Notamment, une augmentation de la concentration en matières en suspension peut, suivant l'efficacité du système de décolmatage des membranes, générer un blocage complet du système de filtration. De même, l'inadéquation (sur-dosage ou sous- dosage) du taux de traitement en coagulant par rapport à la pollution à traiter résulte en une augmentation du pouvoir colmatant de l'eau interstitielle. Cette augmentation intervient en particulier lors de l'emploi d'un adjuvant de floculation dans le séparateur gravitaire pour en améliorer les performances, et peut générer un colmatage profond de la membrane dû à la concentration résiduelle d'adjuvant de floculation. L'ensemble de ces dysfonctionnements rend le procédé de coagulation séparation gravitaire - filtration sur membrane difficile à exploiter et d'un fonctionnement aléatoire et peu fiable, générant des surcoûts d'exploitation, induits par une sur-consommation de réactifs de lavage chimique des membranes et d'énergie, ainsi qu'un accroissement du temps d'indisponibilité des installations de production. Une variante consiste à réaliser une coagulation directe sur des membranes en carter ou immergées tel que décrit dans le document EP-1 239 943. Le réactif coagulant est alors injecté dans l'eau à traiter, et le mélange eau à traiter - coagulant est filtré directement sur la membrane immergée dans le réacteur contenant l'eau à traiter. Dans ce cas, une faible quantité de coagulant injectée permet d'éviter un colmatage profond et irréversible des membranes. La surface au sol de l'installation est alors réduite d'un facteur 2 ou 3 par rapport à la solution précédente. Toutefois, on observe une hétérogénéité de la concentration en matières en suspension dans le réacteur, ce qui 2875146 3 génère un déséquilibre du fonctionnement des modules de filtration membranaire immergés pouvant induire à long terme un colmatage excessif et une augmentation des opérations de décolmatage. De plus, la concentration d'extraction des boues formées est généralement identique à la concentration de boues dans le réacteur. Or, en raison de la limite de fonctionnement des membranes, liée au flux massique maximum suivant la relation: (1) Flux massique = Concentration en MeS x JF, (JF: Flux de filtration) la concentration de boues dans le réacteur est limitée par un flux de filtration des membranes acceptable économiquement. L'extraction des boues est ainsi réalisée avec un débit élevé d'extraction de l'ordre de 5 à 15 % du débit d'alimentation du système, ce qui génère des pertes en eau élevées, ainsi qu'un surcoût d'exploitation, d'une part de l'installation de filtration sur membrane en terme de consommation de réactifs et d'énergie, et d'autre part de l'installation de post traitement nécessaire pour épaissir les boues. On obtient alors un taux de conversion, rapport du débit d'eau filtrée au débit d'eau brute entrant, de l'ordre de 85 à 95 %. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant une installation permettant d'améliorer la capacité de filtration sur membrane et de réduire les pertes d'eau, sans augmentation de la surface au sol. La demanderesse a constaté de façon surprenante pour l'homme de l'art que cette capacité de filtration est améliorée lorsque les membranes sont placées directement dans un décanteur par coagulation/floculation/décantation à lit de boues pulsé. Dans un tel décanteur, décrit par exemple dans les documents FR-1 115 038 et FR-2 132 954, l'effluent à traiter circule de bas en haut au travers d'un lit de boues formé de matières coagulées et floculées en suspension, le lit favorisant l'amorçage de la coagulation, agglomérant et retenant les précipités formés et les matières en suspension contenues dans l'effluent à traiter. En raison des nombreuses matières en suspension dans le décanteur, la filtration sur membrane est généralement réalisée en aval, dans une installation séparée afin d'éviter tout risque de colmatage des membranes, tel que décrit plus haut. 2875146 4 La Demanderesse a constaté que, immergées dans un tel décanteur, les membranes se recouvrent effectivement de matières formant un gâteau de filtration. Mais, au lieu de dégrader la capacité de filtration de la membrane, la présence du gâteau assure au contraire la protection de la membrane. Le gâteau de filtration formé est en effet poreux et faiblement comprimé, créant effectivement une résistance à la filtration donnée, mais protégeant la membrane vis-à-vis du pouvoir colmatant de l'eau interstitielle, notamment en présence de concentrations élevées de matières colloïdales ou dissoutes, partiellement, voire non coagulées. Ces matières sont alors adsorbées sur la couche protectrice formée. La Demanderesse a également constaté que cette adsorption peut en outre être améliorée par l'ajout de réactifs adsorbant, par exemple le charbon actif, permettant d'augmenter le pouvoir adsorbant du gâteau de filtration. Un phénomène similaire est également observé lors de l'ajout d'un adjuvant de floculation, qui favorise la floculation et le contrôle du coefficient de cohésion k du lit de boues, mais dont un excès peut provoquer le colmatage des membranes. Dans le cas présent, l'adjuvant de floculation en excès est retenu par le gâteau de filtration, protégeant ainsi la membrane. Ainsi, de manière inattendue, les caractéristiques spécifiques de la boue floculée, en lit de boues pulsé, permettent d'améliorer les performances des membranes immergées. On observe alors que le flux limite de filtration JF des membranes ne suit plus la théorie classique du flux massique (formule (1)), mais dépend également du caractère cohésif des boues floculées dans le décanteur: (2) Flux massique = f(Concentration en MeS, JF, FM, k), où k est le coefficient de cohésion de la boue et caractérise la décantation en lit de boue pulsé, et FM représente le flux massique caractéristique de la décantation piston des boues. La filtration sur membrane, du fait de la présence du gâteau de filtration, peut alors être réalisée à des flux plus élevés sans risque de colmatage important. Un premier objet de l'invention concerne une installation de traitement d'effluents liquides, notamment de l'eau, comprenant un décanteur à lit de boue pulsé comportant: 2875146 5 - un bac de décantation muni à sa base d'un dispositif de répartition des effluents à traiter agencé et disposé de manière à provoquer une alimentation homogène sur toute la surface du bac, et pourvu d'un système d'extraction des boues formées, - un système d'alimentation en effluents, en amont du dispositif de répartition, pourvu d'un dispositif de génération de pulsations permettant de faire varier le débit d'effluents entrant dans le bac, - au moins un module de filtration sur membrane situé au dessus du dispositif de répartition, de manière à être immergé lors du fonctionnement de l'installation, et - un système d'extraction des effluents traités par le(s) module(s) de filtration relié en aval à ce(s) dernier(s). Un autre objet de l'invention concerne un procédé de clarification par coagulation, floculation et décantation, et de filtration sur membrane d'effluents chargés en matières en suspension, et/ou matières colloïdales et/ou matières dissoutes, notamment de l'eau brute, dans lequel on introduit les effluents à traiter en continu avec un débit variable pulsé dans le bac d'une installation de traitement selon l'invention. L'emploi d'un décanteur à lit de boues pulsé permet de mettre en oeuvre un système de répartition simple et efficace: les survitesses périodiques provoquées par le système de pulsation permettent de répartir de manière équilibrée l'effluent à traiter sous l'ensemble des modules de filtration. Aucun déséquilibre de fonctionnement des diverses membranes n'est ainsi observé, contrairement à la coagulation directe sur membrane décrite plus haut. De plus, les pulsations ou survitesses appliquées à l'effluent à traiter lors de son entrée dans le bac de décantation créent, au niveau des membranes des modules, une vitesse tangentielle variable au cours du temps. Ce mode de filtration pseudo tangentiel induit dans les modules de filtration limite le colmatage des membranes lors de la filtration. De plus, lors de la filtration, les pulsations génèrent des fluctuations du flux de filtration, assurant ainsi la formation d'un gâteau de filtration hétérogène qui sera plus facilement éliminé par décolmatage hydraulique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels: 2875146 6 - la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une représentation similaire d'une variante de réalisation. L'installation selon l'invention comprend un décanteur 1 comportant un bac de décantation 2 muni à sa base d'un dispositif de répartition 3 des effluents et pourvu d'un système d'extraction des boues formées 4. Un système d'alimentation 5 en effluents, en amont du dispositif de répartition 3, est pourvu d'un dispositif de génération de pulsations 6 alimenté en effluent à traiter par une conduite 7. Ce dispositif de génération de pulsation 6 permet de réaliser l'introduction pulsée de l'effluent dans le bac 2. Il s'agit par exemple d'un système connu de cloche à vide dans lequel une pompe à vide 8 et une vanne 9 permettent respectivement de faire monter le niveau de l'effluent dans la cloche et de la vider brusquement, tel que décrit dans le document FR-1 115 038. Plusieurs modules 10 de filtration sur membrane sont situés au dessus du dispositif de répartition 3, et sont disposés de manière à être immergés lors du fonctionnement de l'installation. Les membranes utilisées dans les modules peuvent être choisies parmi les membranes à configuration plane, tubulaire, spiralée ou à fibre creuse, à peau externe ou interne. Chaque module 10 est relié en aval à un système d'extraction 11, formé par exemple de conduites, par lesquelles les effluents traités sont évacués, par exemple au moyen d'une pompe 12. Le dispositif de répartition 3 est formé par un réseau de conduites perforées 13 s'étendant sur toute la surface du bac, et de déflecteurs 14 situés au dessus et à proximité des conduites perforées 13. Les survitesses périodiques provoquées par le système de pulsation 6 permettent de répartir l'effluent à traiter dans le réseau de conduites 13 positionnées sous l'ensemble des modules 10 de filtration. Ces pulsations créent des turbulences dont l'énergie est dissipée par les déflecteurs 14. Une partie de cette énergie dissipée contribue à la réalisation de la floculation. L'énergie résiduelle permet de maintenir le lit de boues homogène, conformément au paramètre de cohésion k. 2875146 7 Le système d'extraction des boues 4 comprend en outre un concentrateur de boues 15 de type connu, de préférence par décantation. L'installation est plus particulièrement destinée aux procédés de clarification par coagulation/floculation/décantation. Lors de son fonctionnement, un lit de boues se forme entre le réseau de conduites perforées 13 et de déflecteurs 14, et le niveau de débordement dans le concentrateur de boue 15. Cette zone forme une zone de traitement dans laquelle est réalisée une coagulation/floculation par contact avec les boues permettant une épuration optimale de l'eau interstitielle et abaissant son pouvoir colmatant vis-à-vis des membranes. Au dessus du lit de boue se situe une zone de décantation, contenant moins de particules en suspension. La ligne pointillée L sur les figures symbolise la limite entre ces zones, cette limite étant bien entendu moins marquée en réalité. La ligne S représente l'interface entre la zone de décantation et l'air. Dans la variante représentée sur la figure 1, les modules 10 sont situés dans la partie inférieure du bac 2, à proximité du système de répartition 3, de manière à être dans la zone de traitement. Ils sont donc entièrement immergés dans le lit de boues et sont situés au dessus du système de répartition 3. Une autre variante est représentée sur la figure 2: les éléments identiques sont désignés par les mêmes références avec un prime ('). Dans cette variante, le décanteur 1' présente en plus un système de décantation lamellaire 16' disposé dans la partie inférieure du bac de manière à être immergé dans la zone de traitement lors du fonctionnement. Il s'agit par exemple de plaques inclinées disposées parallèlement les unes aux autres, tel que décrit dans le document US-5 143 625. L'installation comprend également en plus un dispositif de concentration du type lamellaire à flux croisé 17' à l'entrée du concentrateur 15'. Dans cette variante, les modules 10' de filtration sur membrane sont situés au dessus de ce système de décantation lamellaire 16' et donc au dessus de la zone de traitement, dans la zone de décantation. En fonction de l'encombrement du système de décantation 16', les modules peuvent éventuellement être en partie dans la zone de traitement et en partie dans la zone de décantation. 2875146 8 Lors du fonctionnement de l'installation, l'effluent à traiter, par exemple de l'eau brute, pénètre dans le système de génération de pulsations 6, 6', puis est répartie sur toute la surface du fond du bac 2, 2' grâce au système de répartition 3, 3'. Ensuite, l'eau brute circule de bas en haut dans le bac, en traversant le cas échéant le dispositif de décantation lamellaire 16', et pénètre dans les modules de filtration 10, 10'. L'eau sortant des modules filtrée par les membranes est évacuée par le système d'évacuation 11, 11' au moyen de la pompe 12, 12'. Simultanément, la boue formée est extraite au niveau du concentrateur de boues 15, 15'. Ce dernier 15, 15' limite ainsi la hauteur du lit de boues et permet de réduire de façon significative les pertes en eau en augmentant la concentration des boues extraites d'un facteur de 2 à 20 par rapport à la concentration du lit de boues. L'utilisation à son entrée du système de concentration 17' permet d'augmenter davantage la concentration des boues extraites: la boue "roulant" sur le dispositif lamellaire se déshydrate, augmentant ainsi son flux massique limite. Le sens de circulation de l'effluent et des boues est symbolisé par les flèches sur les figures. La gestion des extractions de boues est par exemple basée sur une purge périodique de quelques secondes, typiquement de 15 à 90 secondes, toutes les 15 à 90 minutes. La fréquence et la durée des purges peuvent être adaptées au volume de boues présent dans le concentrateur, ou à sa concentration, par asservissement de l'extraction au signal d'une sonde (non représentée) présente dans le concentrateur et mesurant le niveau ou la concentration, et comparant ces données à une valeur de consigne. Bien entendu, le dispositif de concentration lamellaire à flux croisé 17' peut également être prévu dans l'installation représentée sur la figure 1. De préférence, l'effluent est introduit dans l'installation à un débit élevé pendant des périodes très brèves comprises entre 5 et 20 secondes environ, séparées par des intervalles de temps relativement longs compris entre 30 et 180 secondes environ, pendant lesquels le débit d'effluent est faible et sensiblement constant. Avantageusement, le débit élevé d'effluent est choisi de manière à obtenir des vitesses d'écoulement dans le bac comprises entre environ 2 2875146 9 et 30 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac, et de préférence compris entre 4 et 18 m3.m-2.h-1. Avantageusement, on peut ajouter à l'effluent lors de son introduction dans l'installation (par exemple au moyen d'une vanne non représentée), des coagulants minéraux et/ou organiques, et/ou des agents de floculation, et/ou des réactifs adsorbants. Des exemples de coagulants minéraux sont les dérivés chlorure, sulfate, chloro-sulfate du fer ou de l'aluminium, ou d'autres dérivés. Les réactifs adsorbants utilisés sont par exemple le charbon actif en poudre. D'autres exemples de réactifs sont cités dans le "Mémento Technique de l'Eau", édité par DEGRÉMONT en 1992, page 224). Il est également préférable de réaliser périodiquement une inversion momentanée du sens de perméation des modules de filtration sur membrane afin d'effectuer un décolmatage des membranes. Un tel décolmatage hydraulique est par exemple effectué typiquement tous les deux ou trois jours, et peut être commandé en fonction de mesures de pertes de charge ou du flux dans les modules, ou de tout autre paramètre approprié. Le colmatage des membranes peut également être limité en envoyant un flux de gaz, généralement de l'air, au travers des membranes durant la filtration ou durant le décolmatage. Exemple On décrira maintenant un exemple de mise en oeuvre d'une installation selon l'invention. Cet exemple se réfère à des essais qui ont été réalisés sur une eau de rivière relativement chargée, laquelle ne pouvait être traitée par filtration directe sur membrane en assurant une élimination suffisante en matière organique, et qui nécessitait donc un prétraitement par coagulation. Les caractéristiques de l'eau brute traitée sont les suivantes: température comprise entre 12 et 15 C - turbidité : 5 à 15 NTU - carbone organique total: 5 à 7 mg/1 - carbone organique dissous: 4,5 à 6 mg/1 La concentration des matières en suspension en entrée de l'installation est d'environ 25 mg/1. On a utilisé pour cet essai une installation de 5 m3 / h du type illustré par la figure 1, équipée de modules de membrane d'ultra- 2875146 10 filtration immergés et comportant également une injection de coagulant avec un mélangeur en ligne (non représenté) au niveau du système d'alimentation 5. Le coagulant utilisé lors des essais est du chlorure ferrique, à un taux de traitement de 30 mg/1, en produit pur. La concentration dans le lit de boues est d'environ 500 mg/1 de matières en suspension. Le coefficient k mesuré sur la boue est de 0,8; Le FM est de 5. La vitesse de décantation moyenne dans le bac durant l'essai est de 4 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac, pour une vitesse maximale durant les pulsations de 30 m3.m-2h-1, permettant d'assurer un fonctionnement des membranes en filtration pseudotangentielle. Les pulsations permettent de maintenir, dans cet exemple, un flux de filtration moyen de 60 1.h-l.m-2 à 20 C avec une variation du flux de plus ou moins 51.h-1.m-2 (avec une fréquence d'environ une pulsation toutes les minutes). Le taux de conversion obtenu est de 99 % pour une concentration de 2,5 g/1 de matières en suspension à l'extraction (concentration portée à 5 g/1 avec l'emploi d'un système de concentration lamellaire à flux croisé en entrée du concentrateur), soit un flux net filtré de 59 1.h-l.m-2 à 20 C. A titre de comparaison permettant de démontrer l'intérêt de ce procédé, les résultats obtenus lors de la coagulation directe sur membrane immergée de cette eau brute permettent d'aboutir à un flux maximum de 45 1.h-l.m-2 à 20 C pour un taux de conversion de 91 %, soit un flux net de filtration de 41 1.h-l.m-2 à 20 C. Dans une installation couplant un décanteur à lit de boues pulsé (donc avec une épuration de l'eau interstitielle similaire à celle obtenue sur l'appareil combiné) en amont d'une installation de filtration sur membrane, le flux appliqué est de 50 1.h-l.m-2 à 20 C avec un taux de conversion de 96 %, soit un flux net de filtration de 48 1.h-l.m-2 à 20 C. Ainsi, l'installation selon l'invention peut fonctionner avec un gain de 30% en flux net par rapport à une coagulation directe sur membrane immergée, et avec un gain de 19 % en flux net par rapport au couplage de deux installations séparées de coagulation/décantation d'une part et de filtration sur membrane d'autre part. En terme de gain de surface au 11 2875146 sol, la solution selon l'invention permet de diviser par 3 l'emprise au sol de l'installation, par rapport au couplage de deux installations séparées. 2875146 12 REVENDICATIONS 1. Installation de traitement d'effluents liquides, notamment de l'eau, caractérisée en ce qu'elle comprend un décanteur (1, 1') à lit de boues pulsé comportant - un bac de décantation (2, 2') muni à sa base d'un dispositif de répartition (3, 3') des effluents à traiter agencé et disposé de manière à provoquer une alimentation homogène sur toute la surface du bac, et pourvu d'un système d'extraction (4, 4') des boues formées, - un système d'alimentation (5, 5') en effluents, en amont du dispositif de répartition, pourvu d'un dispositif de génération de pulsations (6, 6') permettant de faire varier le débit d'effluents entrant dans le bac, - au moins un module (10, 10') de filtration sur membrane situé au dessus du dispositif de répartition, de manière à être immergé lors du fonctionnement de l'installation, et - un système d'extraction (11, 11') des effluents traités par le(s) module(s) de filtration relié en aval à ce(s) dernier(s). 2. Installation de traitement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le(s) module(s) (10, 10') de filtration sur membrane est (sont) situé(s) dans la partie inférieure du bac, à proximité du dispositif de répartition, de manière à être immergé(s) dans la zone de traitement formée par le lit de boues lors du fonctionnement. 3. Installation de traitement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend entre le dispositif de répartition (3') et le(s) module(s) (10') de filtration sur membrane, un système de décantation lamellaire (16') disposé dans la partie inférieure du bac de manière à être immergé dans la zone de traitement lors du fonctionnement. 4. Installation de traitement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le système d'extraction (4, 4') de boues est pourvu d'un concentrateur de boue (15, 15') dont l'entrée est couplée, ou non, à un système de concentration (17') lamellaire à courant croisé. 5. Installation de traitement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le dispositif de répartition (3, 3') des effluents dans le bac est formé d'une série de conduites perforées (13, 13') s'étendant sensiblement sur tout le fond du bac, et de déflecteurs (14, 14') situés au dessus et à proximité des conduites perforées. 2875146 13 6. Procédé de clarification par coagulation, floculation et décantation, et de filtration sur membrane d'effluents chargés en matières en suspension, et/ou matières colloïdales et/ou matières dissoutes, notamment de l'eau brute, caractérisé en ce qu'on introduit les effluents à traiter en continu avec un débit variable pulsé dans le bac (2, 2') d'une installation de traitement selon l'une des revendications précédentes. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on introduit les effluents à un débit élevé pendant des périodes très brèves comprises entre 5 et 20 secondes environ, séparées par des intervalles de temps relativement longs compris entre 30 et 180 secondes environ, pendant lesquels le débit d'effluents est faible et sensiblement constant. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le débit élevé d'effluents est choisi de manière à obtenir des vitesses d'écoulement dans le bac comprises entre environ 2 et 30 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le débit est choisi de manière à obtenir des vitesses d'écoulement dans le bac comprises entre environ 4 et 18 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac. 10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'on inverse périodiquement et momentanément le sens de perméation des modules de filtration sur membrane afin d'effectuer un décolmatage. 11. Procédé selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que l'on ajoute aux effluents lors de son introduction dans l'installation des coagulants minéraux et/ou organiques, et/ou des agents de floculation, et/ ou des réactifs adsorbants.