Brevet FR2941940A1 — publié le 20100813

PROCEDE ET INSTALLATION DE TRAITEMENT D'UN EFFLUENT BRUT, EN PARTICULIER D'EAUX RESIDUAIRES. L'invention est relative à un procédé de traitement d'un effluent brut, en particulier d'eaux résiduaires urbaines (ERU), d'eaux résiduaires industrielles (ERI), ou d'eau potable (EP), selon lequel l'effluent brut est soumis à au moins l'une de deux étapes de traitement par boues activées et/ou filtration membranaire. Un des buts de l'invention est, surtout, de réduire le dimensionnement des bassins biologiques et/ou des installations membranaires, pour un même débit d'effluent brut traité, ou d'augmenter le débit traité pour un même dimensionnement des installations. L'invention exploite le fait que les étapes de traitement par boues activées et/ou par filtration membranaire ont une efficacité qui dépend de la température du liquide soumis au traitement. Selon l'invention, le procédé de traitement défini précédemment est caractérisé en ce que l'on assure un transfert de chaleur entre l'effluent traité et l'effluent brut de sorte que la température de l'effluent brut, après transfert de chaleur, soit mieux adaptée au traitement à effectuer. Lorsque l'effluent brut se trouve à une température inférieure à la température souhaitée pour le traitement par boues activées et/ou filtration membranaire, on extrait de la chaleur de l'effluent traité et on utilise cette chaleur pour réchauffer l'effluent brut avant qu'il ne soit soumis au traitement. Lorsque l'effluent brut se trouve à une température supérieure à la température souhaitée pour le traitement par boues activées et/ou filtration membranaire, on extrait de la chaleur de l'effluent brut pour le refroidir avant qu'il ne soit soumis au traitement, et on transfère cette chaleur dans l'effluent traité. La température souhaitée pour le traitement d'eaux résiduaires par boues activées est généralement d'environ 14°C à 30°C. La température souhaitée pour une filtration membranaire de l'eau peut être supérieure à 20°C et doit rester en général inférieure à 40°C. De préférence, on extrait de la chaleur de l'effluent traité, constituant la source froide, à l'aide d'une pompe à chaleur, et un échange de chaleur est réalisé entre le liquide d'une boucle fermée, réchauffé par la pompe à chaleur, et l'effluent brut en amont du traitement. Avantageusement, on met en oeuvre une pompe à chaleur réversible qui permet, lorsque cela est nécessaire, d'extraire de la chaleur de l'effluent brut, constituant alors la source froide, et de la transférer à l'effluent traité constituant alors la source chaude. L'invention est également relative à une installation de traitement d'un effluent brut, en particulier d'eaux résiduaires urbaines (ERU), d'eaux résiduaires industrielles (ERI), ou d'eau potable (EP), comportant au moins l'un de deux équipements constitués par une unité de traitement par boues activées et/ou une unité de filtration membranaire, et caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de transfert de chaleur entre l'effluent traité et l'effluent brut de sorte que la température de l'effluent brut soit mieux adaptée au traitement à effectuer. De préférence, le moyen de transfert de chaleur comprend une pompe à chaleur. La pompe à chaleur peut être réversible. Un échangeur de chaleur est io prévu en amont de la ou des unités de traitement, entre l'effluent brut et le liquide d'une boucle fermée, réchauffé par la pompe à chaleur. L'installation comporte avantageusement une unité de commande pour le réglage de la pompe à chaleur en fonction de la température de l'effluent brut à l'entrée de l'unité de traitement. 15 L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec références aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est un schéma d'une installation de traitement selon l'invention. 20 Fig. 2 est un schéma d'une variante de l'installation selon l'invention. Fig. 3 est un diagramme illustrant l'influence de la température portée en abscisse sur la vitesse de nitrification portée en ordonnée et exprimée en mg NNH4/g MV/h (milligrammes d'azote ammoniacal éliminés par gramme de matière volatile, et par heure) , et 25 Fig. 4 est un diagramme illustrant les variations du flux net à travers une membrane, porté en ordonnée, en fonction de la température portée en abscisse. En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir une installation de traitement d'eaux résiduaires urbaines (ERU), ou d'eaux résiduaires industrielles (ERI) comprenant un bassin 1 de traitement par boues activées BA suivi d'une 30 unité 2 à membranes pour une filtration membranaire. L'effluent brut à traiter arrive par une conduite 3 dans une unité 4 de prétraitement comprenant notamment une unité de dégrillage, et/ou de dessablage et/ou de dégraissage. L'effluent brut, prétraité, est amené au bassin de boues activées 1 par une conduite 5. L'effluent sortant du bassin 1 est dirigé, par une conduite 6, vers l'unité à 35 membranes 2. Le filtrat, constituant l'effluent traité, sort de l'unité 2 par au moins une conduite 7. L'installation comporte une pompe à chaleur 8 comprenant un échangeur de chaleur liquide/liquide dont l'entrée est reliée à une conduite 9 branchée en dérivation sur la conduite 7 de sortie de l'unité à membranes. On rappelle qu'une pompe à chaleur est un dispositif qui extrait de la chaleur d'une source dite froide et la restitue à une source dite chaude. La température effective des sources n'intervient pas dans cette définition. Généralement la température de la source chaude est supérieure à celle de la source froide, mais l'inverse est possible, notamment lors d'un fonctionnement inversé d'une pompe à chaleur réversible. Une pompe 10 est montée sur la conduite 9 pour la circulation du fluide prélevé sur la conduite 7. Une conduite de retour 11 ramène le fluide prélevé par la to conduite 9 dans la conduite de sortie 7, après que ce fluide ait traversé la pompe à chaleur 8 avec transfert de chaleur. Une vanne de contrôle peut être installée sur la conduite 7, entre les branchements des conduites 9 et 11. Selon les cas, l'échangeur de la pompe à chaleur 8 réchauffe ou refroidit le fluide d'une boucle E, généralement de l'eau, qui alimente en circuit fermé un ts second échangeur 12 placé sur l'effluent brut. La boucle E comprend, dans l'échangeur 12, un circuit dont l'entrée 12a est reliée par une conduite 13 à une sortie de la pompe à chaleur 8, et dont la sortie 12b est reliée par une canalisation 14 à une entrée de la pompe à chaleur 8. La conduite 13 peut être équipée d'une pompe de circulation 15. Seul un transfert de chaleur se produit entre le fluide de la boucle E 20 et l'effluent brut qui pénètre par une entrée 12c, dans un autre circuit séparé de l'échangeur 12, et qui est évacué par la sortie 12d reliée à la conduite 5 d'alimentation du bassin 1. Une unité de commande 16 est prévue pour le réglage de la pompe à chaleur 8 en fonction de la température de l'effluent brut à l'entrée de l'unité 1, cette 25 température étant captée par une sonde montée sur la conduite 5 et reliée par un câble électrique 17 à l'unité de commande 16. Une sortie de l'unité 16 est reliée par un câble électrique 18 à une entrée de commande du réglage de la pompe à chaleur 8. Le réglage de cette pompe à chaleur est effectué de manière que la température de l'effluent brut à l'entrée de l'unité 1 corresponde à une valeur 30 souhaitée prédéterminée. L'unité 16 est également prévue pour commander les débits des pompes 10 et 15 par des liaisons appropriées. Le diagramme de Fig. 3 illustre l'influence de la température sur la vitesse de nitrification dans le bassin de boues activées 1. La température est portée en abscisse, tandis qu'en ordonnée sont portés les mg N-NH4/g MV/h (milligrammes de 35 N-NH4 éliminés par gramme de matières volatiles MV, par heure). Deux courbes sont tracées : une courbe supérieure en tirets, correspondant à un traitement par boues activées avec traitement primaire, afin d'éliminer une partie des particules en suspension et une autre inférieure en trait plein correspondant à un traitement par boues activées sans traitement primaire. Il apparaît que la vitesse de nitrification augmente lorsque la température augmente d'environ 7°C à 30°C. Une élévation de température de l'effluent brut à l'entrée du bassin 1 permettra ainsi d'augmenter la cinétique des réactions biologiques, d'où une réduction du dimensionnement des ouvrages, pour un débit d'effluent brut à traiter. Les cinétiques de dénitrification (endogène et exogène) sont fonctions de la température et de la charge massique. Aussi, la température a une influence moins importante sur la dénitrification que dans le cadre de la nitrification. Fig. 4 est un diagramme illustrant la variation du flux net maximal, to traversant une membrane, portée en ordonnée et exprimée en L.h"'.m"2 (litre par heure, par mètre carré de membrane) en fonction de la température portée en abscisse. La courbe supérieure en trait mixte correspond à une pointe sur une heure. La courbe médiane en trait plein correspond à une pointe journalière et la courbe inférieure en tirets correspond à une moyenne annuelle. 15 Le flux traversant la membrane augmente avec la température sur la plage de 5°C à 30°C. Le flux atteint un maximum pour une température supérieure à 30°C non représentée sur le diagramme. L'élévation de température de l'effluent permet d'augmenter le flux et donc de réduire la surface membranaire et des équipements connexes, pour un débit donné. 20 Selon l'invention, lorsque l'effluent brut arrivant par la conduite 5 est à une température inférieure à la température souhaitée, notamment inférieure à 12°C, pour le traitement par boues activées 1 et/ou par filtration membranaire 2, la pompe à chaleur 8 fonctionne de manière à extraire de la chaleur à l'effluent traité, pour la transférer à l'effluent brut et élever sa température d'environ 5°C. A cet effet, tout ou 25 partie de l'effluent traité sortant de l'unité 2 est envoyé vers l'échangeur de la pompe à chaleur qui réchauffe le liquide de la boucle fermée E. L'effluent traité constitue alors la source froide tandis que l'effluent brut constitue la source chaude. La chaleur est transférée de la source froide à la source chaude. La pompe 10 est prévue lorsque la pression de sortie de l'unité 2 est 30 insuffisante pour assurer le débit vers la pompe à chaleur 8. La boucle E est une boucle de chauffage dans le cas considéré et permet de réchauffer l'effluent brut dans l'échangeur 12. La fonctionnalité de l'installation est basée sur l'établissement d'une consigne de température à la sortie 12d de l'échangeur 12, dans la conduite 5, 35 consigne qui pilote par l'unité 16 le fonctionnement de la pompe à chaleur 8 et de la pompe 15 de la boucle de chauffage. Lorsque la température de l'effluent brut est trop élevée, par exemple en été, le fonctionnement de la pompe à chaleur 8 est inversé et l'effluent brut 5 devient la source froide, tandis que l'effluent traité, sortant par la conduite 7, devient la source chaude. La chaleur est prélevée à l'effluent brut 5 dont la température est abaissée, et cette chaleur est ensuite transférée à l'effluent traité sortant par la conduite 7. Dans ce cas également, le fonctionnement de la pompe à chaleur est piloté pour qu'une consigne de température soit maintenue à la sortie 12b de l'échangeur 12, dans la conduite 5. A titre d'exemple numérique non limitatif , pour une température d'entrée de l'effluent brut Tentrée dans la conduite 3 de 10°C à 15°C, la température de ~o consigne à la sortie 12d dans la conduite 5 peut être choisie égale à Tentrée + ATmax, avec L\Tmax = 5°C . La variation de température au niveau de l'effluent traité qui circule dans les conduites 9 et 11 est également de ATmax = 5°C. La température du liquide dans la boucle E à la sortie de la pompe à chaleur 8, est d'environ 45 à 50°C, voire plus, selon les caractéristiques de la pompe à chaleur. 15 En cas d'eau traitée, sortant par la conduite 7, qui ne serait pas ultrafiltrée, il est préférable d'installer un échangeur de chaleur intermédiaire avant la pompe à chaleur 8 ou un système de filtration, pour éviter de faire traverser l'échangeur de la pompe à chaleur par une eau qui n'est pas ultrafiltrée, et ainsi éviter le colmatage de la pompe à chaleur. 20 Le fonctionnement de l'installation avec une température de consigne convenable pour l'effluent brut dans la conduite 5 d'arrivée permet : - d'augmenter la cinétique des réactions biologiques, d'où une réduction des dimensions des ouvrages et équipements ; - de réduire la surface membranaire et celle des équipements connexes ; 25 - de réduire les écarts de température de l'effluent brut en entrée, et donc d'optimiser les coûts d'exploitation ; - en cas de situation dégradée, d'augmenter momentanément le flux admissible par une élévation de température momentanée de l'effluent entrant, pendant la période de dégradation de la situation ; 30 - d'augmenter les capacités d'une installation existante et donc de différer les investissements d'une collectivité. Dans le cas d'un effluent brut entrant dont la température est élevée, il peut être refroidi avant un traitement membranaire pour le rendre compatible avec la température maximale admissible des membranes. 35 Fig. 2 montre une variante de réalisation de l'installation de traitement dans le cas notamment où on prévoit un refroidissement de l'effluent brut entrant. Les éléments identiques ou jouant un rôle analogue à des éléments décrits à propos de Fig. 1 sont désignés par les mêmes références numériques sans que leur description soit reprise. Selon la variante de Fig. 2, un échangeur de type aérotherme 19 est installé sur la conduite 14 pour permettre d'augmenter, si nécessaire, le refroidissement du liquide, circulant dans cette conduite 14, par l'air atmosphérique. La description qui précède concerne un traitement d'eaux résiduaires urbaines ou industrielles. L'invention s'applique également à un traitement d'eau potable qui ne ferait pas intervenir un bassin 1 de traitement par boues activées, l'effluent brut étant directement traité par des membranes donnant l'eau potable en sortie. io La solution de l'invention est particulièrement adaptée au traitement membranaire, y compris par osmose inverse : - la pompe à chaleur peut être alimentée directement par l'eau ultrafiltrée, sans qu'un échangeur intermédiaire soit nécessaire ; - dans le cas de traitements membranaires d'eaux résiduaires urbaines ou d'eaux 15 résiduaires industrielles, il existe déjà un tamisage fin, avantageusement à 0,8 mm et à mailles rondes, qui protège l'échangeur 12 installé sur l'effluent brut après prétraitement. La solution de l'invention apporte une diminution significative des investissements en génie civil, membranes et équipements associés. 20 La solution de l'invention est particulièrement pertinente pour le traitement d'eaux résiduaires urbaines en cas de coût unitaire de génie civil élevé. La solution de l'invention permet d'augmenter la capacité nominale d'une installation existante. Cette application industrielle répond : - aux contraintes des stations soumises à des variations de charges, l'élévation de 25 température augmentant le flux admissible des membranes, -aux contraintes des stations des pays froids et donc des stations de montagne. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'un effluent brut, en particulier d'eaux résiduaires urbaines (ERU), d'eaux résiduaires industrielles (ERI), ou d'eau potable (EP), selon s lequel l'effluent brut est soumis à au moins l'une de deux étapes de traitement par boues activées (BA) et/ou filtration membranaire, caractérisé en ce que l'on assure un transfert de chaleur entre l'effluent brut et l'effluent traité de sorte que la température de l'effluent brut soit mieux adaptée au traitement à effectuer. to 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque l'effluent brut se trouve à une température inférieure à la température souhaitée pour le traitement par boues activées (BA) et/ou filtration membranaire, on extrait de la chaleur de l'effluent traité et on utilise cette chaleur pour réchauffer l'effluent brut avant qu'il ne soit soumis au traitement. 15 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque l'effluent brut se trouve à une température supérieure à la température souhaitée pour le traitement par boues activées (BA) et/ou à la température souhaitée pour filtration membranaire, on extrait de la chaleur de l'effluent brut pour le refroidir avant qu'il ne 20 soit soumis au traitement, et on transfère cette chaleur à l'effluent traité. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on extrait de la chaleur de l'effluent traité, constituant la source froide, à l'aide d'une pompe à chaleur, et qu'un échange de chaleur est réalisé entre le liquide 25 d'une boucle fermée (E) réchauffé par la pompe à chaleur, et l'effluent brut en amont du traitement. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on met en œuvre une pompe à chaleur réversible qui permet, lorsque cela est nécessaire, d'extraire de la 30 chaleur de l'effluent brut, constituant alors la source froide, et de la transférer à l'effluent traité constituant alors la source chaude. 6. Installation de traitement d'un effluent brut, en particulier d'eaux résiduaires urbaines (ERU), d'eaux résiduaires industrielles (ERI), ou d'eau potable (EP), 35 comportant au moins l'un de deux équipements constitués par une unité de traitement par boues activées (1) et/ou une unité de filtration membranaire (2), caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de transfert de chaleur entre l'effluent traité et l'effluent brut de sorte que la température de l'effluent brut soit mieux5adaptée au traitement à effectuer. 7. Installation de traitement selon la revendication 6, caractérisée en ce que le moyen de transfert de chaleur comprend une pompe à chaleur (8). 8. Installation de traitement selon la revendication 7, caractérisée en ce que la pompe à chaleur (8) est réversible. 9. Installation de traitement selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle to comporte un échangeur de chaleur (12) prévu en amont de la ou des unités de traitement (1 , 2) entre l'effluent brut et le liquide d'une boucle fermée (E) réchauffé par la pompe à chaleur (8). 10. Installation de traitement selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, 15 caractérisée en ce qu'elle comporte une unité de commande (16) pour le réglage de la pompe à chaleur (8) en fonction de la température de l'effluent brut à l'entrée de l'unité de traitement. 8 20