Brevet FR2891540A1 — publié le 20070406

Procédé de traitement d'eaux comprenant une étape de décantation rapide suivie d'une étape de filtration directement sur membranes de micro ou d'ultra-filtration, et dispositif correspondant. Le domaine de l'invention est celui du traitement des eaux. Plus précisément, l'invention concerne les procédés de traitement d'eaux comprenant une étape de séparation liquide-solide et au moins une étape de filtration. L'invention s'applique en particulier, mais non exclusivement, au prétraitement d'eaux destinées à subir ultérieurement un traitement membranaire d'osmose inverse ou de nanofiltration. Plus généralement, l'invention s'applique notamment: au domaine de la réutilisation d'eau usée pour diverses utilisations (eau de process industrielle, eau spécifique pour l'industrie micro-électronique, infiltration de nappes, eau potable, etc...). au dessalement d'eaux de mer ou saumâtres; au traitement des eaux de surface à forte variation de turbidité et/ou de matières organique; au traitement des eaux de surface à forte variation algale, ou de toutes autres substances organiques ou minérales présentant un pouvoir colmatant. Les eaux de surface conventionnelles (eaux de rivière, lac ou barrage) sont parfois soumises à un traitement de filtration sur membranes de nanofiltration pour en diminuer la teneur en pesticides et autre micropolluants organiques qui peuvent être enlevés par nanofiltration. La nanofiltration permet également d'enlever les anions bivalents, tels 25 que les sulfates, mais aussi de réduire la teneur en d'autres sels, tels que des nitrates par exemple. L'osmose inverse utilise des membranes similaires à celles de nanofiltration mais disposant d'un pouvoir de séparation supérieur. Elle permet d'enlever à peu près tous les polluants organiques et minéraux de l'eau. L'osmose inverse est notamment utilisée pour la production d'eau de consommation humaine ou d'eau de procédé ou de chaudière à partir d'eau de mer ou d'eau saumâtre. L'osmose inverse est également de plus en plus souvent utilisée comme traitement lors de la réutilisation d'eaux usées en vue de produire des eaux de procédé après leur passage en usine de traitement d'eaux usées. Les membranes d'osmose inverse, comme celles de nanofiltration, sont fortement sensibles au colmatage et nécessitent un prétraitement des eaux pour diminuer le pouvoir colmatant. Le pouvoir colmatant d'une eau destinée à la nanofiltration ou à l'osmose inverse est souvent mesuré par leur Silt Density Index (SDI), que les prétraitements cherchent usuellement à limiter à la valeur la plus basse possible, et, en tout cas, à une valeur inférieure ou égale à 4 (SDI s 4). En effet, les valeurs de SDI élevées, supérieures à 4 par exemple, entraînent un colmatage trop rapide des membranes d'osmose inverse ou de nanofiltration, nécessitant le recours à de fréquents lavages chimiques des membranes qui en diminuent la durée de vie. Les prétraitements actuellement utilisés en amont des traitements membranaires d'osmose inverse et de nanofiltration associent usuellement une séparation liquide-solide à basse vitesse (décantation simple ou lamellaire, ou encore flottation, à des vitesses inférieures à 15m/h) à une filtration sur sable et/ou charbon. Une coagulation floculation est fréquemment réalisée en amont de la séparation liquide-solide. Le SDI des eaux pré-traitées par ces techniques classiques est cependant difficile à maintenir en continu à une valeur inférieure ou égale à 4, et fluctue souvent, de manière difficile à maîtriser. De plus, les prétraitements conventionnels nécessitent des équipements encombrants (décantation à moins de 15 m/h, filtration sur matériau granulaire en un étage, parfois même deux étages), et ne donnent pas ou difficilement en continu les valeurs recherchées de SDI inférieures à 4. L'invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un procédé de traitement qui permette de mieux maîtriser l'indice de colmatage (ou SDI) des eaux traitées comparé aux solutions de l'art antérieur, voire de diminuer cet indice par rapport à celui obtenu avec les techniques connues. L'invention a également pour objectif de fournir un tel procédé qui permette de réduire l'encombrement des installations correspondantes. L'invention a aussi pour objectif de proposer un dispositif de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Un autre objectif de l'invention est de proposer un tel procédé et un tel dispositif qui soient simples de conception et faciles à mettre en oeuvre. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un procédé de traitement d'eaux comprenant une étape de séparation liquide-solide suivi d'au moins une étape de filtration, caractérisé en ce que ladite étape de séparation liquide-solide comprend une étape de décantation réalisée à une vitesse superficielle supérieure à 15 m/h, et en ce que ladite étape de filtration est réalisée directement sur au moins une membrane de microfiltration ou d'ultrafiltration. On comprend que, selon l'invention, le fait que l'étape de filtration soit réalisée directement sur membranes signifie qu'aucune filtration sur massif granulaire inerte n'est réalisée en amont de l'étape d'ultra ou de microfiltration. L'invention va donc à l'encontre d'un à priori de l'homme du métier consistant à considérer qu'un SDI suffisamment bas ne peut être obtenu, lors d'un pré-traitement, qu'avec une décantation lente d'une part, et en combinant cette décantation à une filtration sur sable et/ou charbon d'autre part. Or, la Demanderesse a découvert que, de manière imprévue, l'usage de techniques de séparation liquide-solide rapides, réalisées à des vitesses supérieures à 15 m/h, pouvant aller à plus de 30 m/h, et même de 90 à 200 m/h, suivies, sans interposition d'une filtration sable ou anthracite préalable, d'une filtration directe sur membranes de micro ou d'ultrafiltration pouvait permettre, de manière compacte et économique, l'obtention d'une eau présentant en continu un SDI inférieur à 4, pouvant même descendre à des valeurs aussi basses que 3 ou même 2. L'invention pallie les deux défauts des techniques antérieures que constituent: le défaut de compacité présenté par la combinaison de décanteurs fonctionnant à des vitesses inférieures à 15m/h avec une ou plusieurs étapes de filtration sur matériau granulaire (sable, ou combinaison sable anthracite, usuellement) ; la difficulté à obtenir en continu un SDI inférieur à 4. Selon un premier mode de réalisation, ladite étape de séparation liquidesolide est réalisée par décantation à floc lesté de matériau granulaire inerte fin de densité supérieure à celle de l'eau. Dans ce cas, ladite étape de décantation à floc lesté est préférentiellement réalisée à l'aide de sable fin. Les essais réalisés par la Demanderesse ont en effet montré que des SDI inférieurs à 4, souvent même inférieurs à 2, étaient obtenus en continu pour des eaux prétraitées par une première étape de séparation liquide solide réalisée à plus de 15m/h dans des décanteurs à floc lesté de boues du type de ceux décrits dans les documents de brevets publiés sous les numéros FR-2 553 082 et US-4 388 195, mais aussi à plus de 30 m/h par flottation et de 30 jusqu'à 90 m/h et plus en utilisant des décanteurs à floc lesté du type de ceux décrits dans les documents de brevets publiés sous les documents de brevet publiés sous les numéros FR- 2 627 704 et FR2 719 234, puis une seconde étape de microfiltration (MF) ou ultrafiltration (UF) dans des modules de type sous pression ou de type immergé. Selon un deuxième mode de réalisation, ladite étape de séparation liquidesolide est réalisée par flottation. Selon un troisième mode de réalisation, ladite étape de séparation liquide- 2891540 5 solide est réalisée par décantation à floc lesté par re-circulation de boues. Selon une solution avantageuse, le procédé comprend au moins une étape de décolmatage de ladite ou desdites membranes, les eaux de décolmatage étant recyclées en amont de ladite étape de séparation liquide-solide. Selon une variante envisageable, le procédé comprend une étape d'injection dans lesdites eaux, pendant ladite étape de séparation liquide-solide, d'au moins un des réactifs appartenant au groupe suivant: coagulant organique; coagulant minéral; floculant organique; - floculant minéral; absorbant organique; - absorbant minéral. Selon une autre variante avantageuse, le procédé comprend au moins une étape d'injection dans lesdites eaux, entre ladite étape de séparation liquide- solide et ladite étape de filtration membranaire, d'au moins un réactif oxydant. Dans ce cas, ledit ou lesdits réactifs oxydants comprennent l'un au moins des réactifs appartenant au groupe suivant: ozone; oxydants chlorés; peroxyde d'hydrogène. Selon encore une variante avantageuse, le procédé comprend une étape de traitement UV réalisée entre ladite étape de séparation liquide-solide et ladite étape de filtration membranaire. Selon une autre variante, le procédé comprend au moins une étape d'injection dans lesdites eaux, entre ladite étape de séparation liquidesolide et ladite étape de filtration membranaire, de charbon actif en poudre. Préférentiellement, le procédé comprend une étape de traitement par osmose inverse réalisée en aval de ladite étape de filtration membranaire. Avantageusement, le procédé comprend une étape de nanofiltration réalisée en aval de ladite étape de filtration membranaire. L'invention concerne également un dispositif de traitement d'eaux comprenant des moyens de séparation liquide-solide et des moyens de filtration, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation liquidesolide comprennent au moins un décanteur fonctionnant à une vitesse superficielle supérieure à 15 mlh, lesdits moyens de filtration comprenant des premiers moyens de filtration prévus pour qu'une première étape de filtration après ladite séparation liquide-solide soit réalisée à l'aide d'au moins une membrane de microfiltration ou d'ultrafiltration. Selon un premier mode de réalisation, lesdits moyens de séparation liquide-solide comprennent des moyens d'injection d'un réactif coagulant, au moins une cuve de floculation associé à des moyens d'injection de sable fin dans ou en amont de ladite cuve de floculation, au moins une cuve de décantation associée à des moyens d'extraction d'eaux décantées et des moyens d'extraction de boues de décantation. Dans ce cas, le dispositif comprend préférentiellement des moyens de recirculation d'un mélange desdites boues décantées et dudit sable dans ou en amont de ladite cuve de floculation. Selon un deuxième mode de réalisation, lesdits moyens de séparation liquide-solide comprennent au moins une cuve de flottation associée à au moins 20 un dispositif de production de micro-bulles. Préférentiellement, le dispositif comprend des moyens d'injection d'eaux de décolmatage de ladite ou desdites membranes, et des moyens de recirculation desdites eaux de décolmatage au niveau ou en amont desdits moyens de séparation liquide-solide. Selon une solution avantageuse, le dispositif comprend des moyens d'injection d'ozone en aval ou en amont desdits moyens de séparation liquide-solide. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de filtration sur membrane d'osmose inverse ou de nanofiltration en aval desdits premiers 30 moyens de filtration. Selon une solution avantageuse, le dispositif comprend des moyens de bypass desdits moyens de séparation liquide-solide. Selon encore une solution avantageuse, le dispositif comprend des moyens de by-pass desdits moyens d'injection d'ozone. On peut ainsi réaliser un traitement direct d'ultra ou de microfiltration, dans le cas ou la qualité variable des eaux brutes permettrait un tel traitement membranaire direct avec ou sans injection de coagulant ou de floculant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation préférentiels de l'invention, donnés à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention selon une version simplifiée; la figure 2 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation de l'invention selon une version préférée. Tel qu'indiqué précédemment, le principe de l'invention consiste à prétraiter des eaux par un procédé comprenant au moins une étape de séparation liquide-solide suivie d'au moins une étape de filtration sur membranes de micro ou d'ultrafiltration, l'étape de séparation liquidesolide étant réalisée à une vitesse superficielle supérieure à 15 m/h et aucune filtration sur massif granulaire inerte n'étant réalisée en amont de l'étape d'ultra ou microfiltration. Suivant la nature et la composition des eaux brutes à traiter, le prétraitement est amélioré par l'ajout d'un ou plusieurs réactifs parmi les suivants: réactif coagulant, du type minéral comme un sel de fer ou d'aluminium, ou du type organique, comme les polymères tels que le Poly(diallyldimethyl ammonium chloride (polymère organique cationique), principalement en amont de la séparation liquide-solide, mais aussi, éventuellement, en amont des membranes MF ou UF; réactif de type floculant, organique comme des polymères acryliques par exemple, mais aussi minéraux, comme les argiles, principalement en amont de la séparation liquide-solide. oxydant ou désinfectant (principalement ozone, mais aussi chlore et ses dérivés, peroxyde d'hydrogène, ou même rayonnement UV) entre la séparation liquide-solide et la filtration MF ou UF absorbant organique ou minéral, comme le CAP (Charbon Actif en Poudre), soit en amont de la séparation liquide solide, soit entre cette séparation et l'étape de membranes MF ou UF. Ces réactifs seront utilisés principalement dans les cas suivants: les réactifs coagulants et floculants seront utilisés pour les eaux chargées en matières organiques, en colloïdes ou en particules en suspension; l'ozone sera utilisé dans le cas d'eaux brutes chargées en algues, planctons, ou autres micro-organismes vivants, par exemple en phase de floraison algale, ainsi que dans le cas d'eaux chargées en fer ou manganèse, ou dans le cas d'eaux turbides; le CAP sera utilisé dans le cas d'eaux chargées en hydrocarbures et en micro-polluants dissous, influant sur le pouvoir colmatant de l'eau. Le procédé prévoit également le décolmatage des membranes de micro ou ultra filtration et les eaux de décolmatage sont préférentiellement recirculées en tête du dispositif de séparation liquide-solide. Une étape finale éventuelle d'osmose inverse ou de nanofiltration est réalisée en aval de l'étape de micro ou ultra-filtration, sur une eau prétraitée présentant ainsi un SDI toujours inférieur à 4. Selon une version simplifiée telle qu'illustrée par la figure 1, un dispositif pour la mise ne oeuvre du procédé tel que décrit précédemment, comprend des moyens de séparation liquide solide 1 à grande vitesse (supérieure à 15m/h), choisis parmi les techniques de décantation simple ou lamellaire, ou encore de flottation, suivi d'une filtration 2 sur membranes de micro ou d'ultrafiltration. De façon préférentielle, des moyens d'injection d'un réactif coagulant 3 et d'un réactif floculant 4 sont prévus en amont de la séparation liquidesolide. Des moyens de recyclage 5 en amont de l'étape de séparation liquide solide des eaux de décolmatage des membranes sont présents afin de minimiser la perte d'eau. Dans sa version préférée schématisée en figure 2, l'invention comprend des moyens de coagulation 3, floculation 4 et de décantation à floc lesté de microsable 1 à une vitesse de décantation comprise entre 15 et 200 m/h, préférentiellement entre 30 et 90 m/h. Les moyens de séparation liquide-solide comprennent une cuve de décantation 1, en aval de la cuve de floculation 4, cette cuve de décantation étant associée à des moyens d'extraction des eaux décantées 1bl et des moyens d'extraction des boues de décantation lb2 prévus pour assurer une recirculation du mélange boues décantées /sable dans la cuve 4 (ou en amont de celle-ci) et une extraction des boues 1b3 vers le traitement des boues. En aval des cuves de floculation et de décantation sont prévus des moyens d'injection d'ozone 6, à un taux compris entre 0.5 et 5 mgO3/1, puis des moyens de filtration sur membranes d'ultra ou de micro- filtration dont les eaux de décolmatage sont retournées par le circuit de recyclage 5 en tête de la floculation-décantation. Préférentiellement, la cuve de flottation intègre un dispositif de production de micro bulles. Le système de traitement sera, de préférence, équipé de circuits de bypass 7 de l'étape de séparation liquide-solide et 8 de l'étape d'ozonation éventuelle, afin de permettre un traitement direct d'ultra ou de microfiltration, dans le cas où la qualité variable des eaux brutes permettrait un tel traitement membranaire direct, avec ou sans injection de coagulant ou de floculant. Des réactifs chimiques peuvent être injectés en tête de la séparation liquide solide à l'aide de moyens d'injection 10. Du CAP peut être injecté également en tête de la séparation liquide solide à l'aide de moyens d'injection 10 ou 11, entre la séparation liquide solide et l'étape d'ultra ou microfiltration. Le traitement est complété, si tel est l'objectif final du traitement, par un traitement de filtration sur membranes d'osmose inverse ou de nanofiltration 9. Des essais ont été conduits avec le procédé et le dispositif qui viennent d'être décrits. Les résultats, présentés en synthèse dans le tableau 1, sont les suivants. Une eau brute de surface, colorée et organique, de turbidité ayant monté jusqu'à 2 000 NTU durant les essais et dont le SDI 5 minutes était supérieur à 15, a été passée par une première étape de coagulation (au sulfate d'alumine au taux de 10 -12 mg Al/litre d'eau), de floculation, et de décantation avec lest de sable dans un décanteur à floc lesté de type ACTIFLO (marque déposée). L'eau clarifiée, avec une turbidité inférieure à 5 NTU et un SDI 15 minutes inférieur à 6, a été alors envoyée dans un module de microfiltration de pouvoir de coupure (0,1 yrm). L'eau sortant de la microfiltration avait une turbidité inférieure à 0.2 NTU, et présentait en continu un SDI inférieur à 4. Eau Eau Eau brute clarifiée Microfiltrée Turbidité NTU 1 2000 15 (5 min) Tableau 1 20 Des essais complémentaires (synthétisés dans le tableau 2) ont été réalisés en ajoutant une étape d'ozonation après la clarification ACTIFLO . Alors que le nombre de particules était dans l'eau brute de plus de 2 000 u/ml, et dans l'eau clarifiée de moins de 500 u/ml, l'ozonation a permis de maintenir entre 50 et 100 u/ml le nombre de particules dans l'eau clarifiée ozonée, correspondant à un SDI 15 minutes inférieur à 5 (au lieu de 6 pour l'eau clarifiée sans ozonation). Notons que le SDI obtenu après microfiltration de l'eau clarifiée ozonée a été inférieur à 3 (valeur inférieure au SDI Eau brute Eau clarifiée Eau ozonée Nombre de particules u/ > 2 000 15 (5 min) Tableau 2 REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'eaux comprenant une étape de séparation liquide- solide suivi d'au moins une étape de filtration, caractérisé en ce que ladite étape de séparation liquide-solide comprend une étape de décantation réalisée à une vitesse superficielle supérieure à 15 m/h, et en ce que ladite étape de filtration est réalisée directement sur au moins une membrane de microfiltration ou d'ultrafiltration. 2. Procédé de traitement d'eaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de séparation liquide-solide est réalisée par décantation à floc lesté de matériau granulaire inerte fin de densité supérieure à celle de l'eau. 3. Procédé de traitement d'eaux selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de décantation à floc lesté est réalisée à l'aide de sable fin. 4. Procédé de traitement d'eaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de séparation liquide-solide est réalisée par flottation. 5. Procédé de traitement d'eaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de séparation liquide-solide est réalisée par décantation à floc lesté par re-circulation de boues. 6. Procédé de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape de décolmatage de ladite ou desdites membranes, les eaux de décolmatage étant recyclées en amont de ladite étape de séparation liquide-solide. 7. Procédé de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'injection dans lesdites eaux, pendant ladite étape de séparation liquide-solide, d'au moins un des réactifs appartenant au groupe suivant: coagulant organique; coagulant minéral; floculant organique; floculant minéral; absorbant organique; absorbant minéral. 8. Procédé de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape d'injection dans lesdites eaux, entre ladite étape de séparation liquide-solide et ladite étape de filtration membranaire, d'au moins un réactif oxydant. 9. Procédé de traitement d'eaux selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit ou lesdits réactifs oxydants comprennent l'un au moins des réactifs appartenant au groupe suivant: ozone; - oxydants chlorés; peroxyde d'hydrogène. 10. Procédé de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement UV réalisée entre ladite étape de séparation liquide-solide et ladite étape de filtration membranaire. 11. Procédé de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape d'injection dans lesdites eaux, entre ladite étape de séparation liquide-solide et ladite étape de filtration membranaire, de charbon actif en poudre. 12. Procédé de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement par osmose inverse réalisée en aval de ladite étape de filtration membranaire. 13. Procédé de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de nanofiltration réalisée en aval de ladite étape de filtration membranaire. 14. Dispositif de traitement d'eaux comprenant des moyens de séparation liquide-solide (1) et des moyens de filtration (2), caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation liquide-solide (1) comprennent au moins un décanteur fonctionnant à une vitesse superficielle supérieure à 15 m/h, lesdits moyens de filtration (2) comprenant des premiers moyens de filtration prévus pour qu'une première étape de filtration après ladite séparation liquide-solide soit réalisée à l'aide d'au moins une membrane de microfiltration ou d'ultrafiltration. 15. Dispositif de traitement d'eaux selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation liquide-solide (1) comprennent des moyens d'injection d'un réactif coagulant (3), au moins une cuve de floculation (4) associé à des moyens d'injection de sable fin dans ou en amont de ladite cuve de floculation, au moins une cuve de décantation (1) associée à des moyens d'extraction d'eaux décantées (1bl) et des moyens d'extraction de boues de décantation (lb2). 16. Dispositif de traitement d'eaux selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de recirculation (1b2) d'un mélange desdites boues décantées et dudit sable dans ou en amont de ladite cuve 4. 17. Dispositif de traitement d'eaux selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation liquide-solide (1) comprennent au moins une cuve de flottation (1) associée à au moins un dispositif de production de micro-bulles. 18. Dispositif de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'injection d'eaux de décolmatage de ladite ou desdites membranes, et des moyens de recirculation (5) desdites eaux de décolmatage au niveau ou en amont desdits moyens de séparation liquide-solide. 19. Dispositif de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'injection d'ozone (6) en aval ou en amont desdits moyens de séparation liquide-solide (1). 20. Dispositif de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 14 à 19, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de filtration (9) sur membrane d'osmose inverse ou de nanofiltration en aval desdits premiers moyens de filtration. 21. Dispositif de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 14 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de bypass (7) desdits moyens de séparation liquide-solide. 22. Dispositif de traitement d'eaux selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de bypass (8) desdits moyens d'injection d'ozone.