Brevet FR2939424A1 — publié le 20100611

L'invention se rapporte aux nécessités de la vie et plus particulièrement aux processus d'épuration et de décontamination des eaux usées. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de traitement biologique d'effluents organiques présents à forte concentration dans des eaux résiduaires. La réduction des flux polluants est devenue une nécessité, compte tenu de la réglementation sur l'assainissement. Les réacteurs biologiques associant une technique de séparation par membranes sont des procédés récents, qui apportent une solution satisfaisante permettant de répondre aux nouveaux objectifs d'assainissement et assurant de remettre en circulation des eaux suffisamment débarrassées de produits biologiques. notamment organiques. qui peuvent avoir une incidence sur l'environnement et la santé des consommateurs. Les procédés actuels sont connu sous la dénomination commerciale BRM : Bio Réacteur à Membrane (marque déposée). ainsi que le système EBA : Epuration Biologique Assistée (marque déposée). Le principe de ces procédés consiste à dégrader, par voie aérobie. la pollution organique avec production d'une biomasse. Cette biomasse est concentrée par une technique de séparation membranaire, de type microfiltration ou ultrafiltration, ce qui permet de maintenir une concentration élevée en biomasse dans le réacteur. Voir notamment les publications � Membrane Bioreactor for wastewater treatment : the state of art and new developments. L. Van Dijk and G.C.G Roncken, Wat. Sei. Tech. Vol. 35, N°10, pp 35-41, 1997" et "The application membrane biological reactors for the treatment of wastewater, K. Brindle and T. Stephenson. (Biotechnology and bloengineering. Vol. 49, pp 601-610, 1996)." Les réacteurs anaérobies se caractérisent par les temps de séjour des liquides et des solides. On distingue deux familles de procédés : les réacteurs biologiques, où les temps de rétention des liquides et des solides sont identiques (systèmes infiniment mélangés), et ceux où les temps de rétention sont dissociés. La dissociation des temps de rétention peut se faire soit à l'extérieur du réacteur par séparation physique (systèmes à contact anaérobie), soit à l'intérieur du réacteur par fixation de la biomasse (réacteur à cellules fixées, réacteurs à lit fluidisé. réacteurs � Upflow Anaerobic Sludge Blanket �). La dissociation des temps de séjour hydraulique et des solides permet de meilleures performances en matière de dépollution, en optimisant l'utilisation des volumes. Les systèmes infiniment mélangés sont des procédés assez simples. utilisés en traitement d'eau. essentiellement pour la stabilisation des boues et très rarement pour le traitement des effluents bruts. Les procédés à contact anaérobie sont constitués d'un réacteur infiniment mélangé. associé à un décanteur situé en aval, qui permet de maintenir une teneur en biomasse plus élevée à l'intérieur du réacteur biologique par recyclage de boues. L'efficacité du procédé dépend essentiellement de l'aptitude à décanter des boues anaérobies. Ces procédés constituent un progrès par rapport aux réacteurs infiniment mélangés seuls. mais ils présentent l'inconvénient d'être encore assez volumineux. Les réacteurs anaérobies. comme ceux de type � Membrane Anaerobie Reactor System �, sont constitués d'un réacteur infiniment mélangé, associé à un dispositif de séparation membranaire. La séparation membranaire est plus efficace que la décantation simple, mais la concentration en biomasse dans le réacteur reste limitée, du fait du maintien des cellules en suspension. Bien que produisant moins de biomasse que les procédés à boues activées classiques. ces procédés conduisent. malgré tout, à une production limitée de biomasse qu'il faut éliminer régulièrement, ce qui n'est pas sans problème car l'épandage de la biomasse contribue à diffuser dans les sols et éventuellement dans les eaux de ruissellement des produits contaminants. On connaissait déjà un procédé amélioré de purification des effluents par fermentation anaérobie. objet du brevet français 2.806.400 qui consiste à mettre en oeuvre un réacteur biologique anaérobie et un séparateur qui se caractérise par le fait que le réacteur anaérobie est à cellules fixées, de type ascendant, en ce que le séparateur est constitué d'une unité de filtration membranaire. en ce qui ledit réacteur est disposé au-dessus d'une grille délimitant le haut d'une zone de répartition de l'effluent qui se trouve à la base du réacteur, en ce que l'effluent sortant du réacteur est dirigé vers la cuve d'alimentation de l'unité de filtration membranaire et en ce que ladite unité de filtration membranaire comporte un groupe de circulation de pompage volumétrique et un dispositif de régularisation de la pression. Le réacteur anaérobie est doté d'un système de régulation thermique, permettant de maintenir une température d'environ 35°C (mésophile) ou de 55°C (thermophile). Le procédé amélioré selon l'invention consiste donc à associer un réacteur biologique anaérobie à un dispositif externe de filtration tangentielle doté de membranes a faible seuil de coupure. de manière à maintenir une concentration élevée en micro-organismes dans le réacteur et surtout à retenir la faction la plus importante possible de matières polluantes solubles. On obtient ainsi des taux d'épuration de 95 à 99 % caractérisés par une DCO (demande chimique en oxygène) extrêmement basse et par une DBO (demande biologique en oxygène) très limitée. L'invention se caractérise également par le fait que le réacteur biologique et l'unité de filtration tangentielle sont reliés entre eux par un dispositif de couplage rendant les hydrauliques des deux systèmes complètement indépendants. Les vitesses de circulation dans le réacteur biologique et l'unité de filtration étant différentes et soumises chacune à leurs propres contraintes. Ce procédé se caractérise par l'existence d'un réacteur biologique à lit fixé. contenant un garnissage en vrac ou ordonné constitué d'un matériau inerte tel que les du polyéthylène haute densité (PEHD) ou du polyéthylène (PE). Ce garnissage se définit selon l'invention par le fait qu'il possède un pourcentage de vide déterminé et par une surface spécifique élevée. Le procédé selon l'invention se caractérise également par le fait que le garnissage déposé sur un support tel que treillis ou caillebotis est situé dans la partie basse du réacteur. Une autre caractéristique très importante du présent procédé réside dans le fait que l'alimentation du réacteur biologique se fait par le haut de la cuve par l'intermédiaire d'une pompe de circulation électrique P 1. De ce fait on obtient dans la cuve un flux descendant et la répartition de l'effluent se fait d'une manière homogène au sommet de la cuve au moyen d'un dispositif de dispersion. Selon l'invention. la cuve du réacteur biologique où se produit la fermentation est calorifugée afin de maintenir son contenu à une température constante et aisément réglable. Cette température constante est de l'ordre de 30 à 40°C et de préférence de 33 à 36°C, pour une digestion anaérobie mésophile. et de 50 à 60°C, de préférence de 55°C pour une digestion anaérobie thermophile. L'homme de l'art déterminera si le procédé de digestion mésophile ou thermophile doit être 35 choisi en fonction des caractéristiques de l'effluent à traiter. Selon une autre caractéristique de l'invention. l'agitation du milieu biologique et l'homogénéisation de la température dans le réacteur biologique sont assurées par une boucle externe de recirculation du liquide. Le chauffage du réacteur, que ce soit à 30. 40. 50 ou 60°C. est réalisé par le moyen d'un échangeur de température placé sur la boucle de recirculation du dispositif de digestion. L'unité de filtration tangentielle est constituée d'une ou plusieurs membranes organiques ou minérales. Les membranes organiques sont du type polysulfone. Les membranes minérales sont des membranes céramiques. Le choix d'un type déterminé de membrane et surtout la détermination des seuils de coupure dépendent des caractéristiques des l'effluents, déterminées, soit à l'avance soit pendant le traitement. ainsi que les objectifs de rejet. 15 En définitive les éléments importants de la présente invention se situent dans le fait de l'existence d'un dispositif de couplage entre le réacteur biologique et l'unité de filtration tangentielle qui consiste en un système de circulation des eaux, en la mise en place d'un bac de couplage qui permet de dissocier les hydrauliques du réacteur biologique et l'unité d'ultrafiltration. 20 On assure en outre des vitesses de circulation des effluents dans le réacteur biologique dune manière indépendante. Elles sont déterminées par deux pompes distinctes (pompes P2 et P3). Le dispositif comporte également un dispositif de supervision qui permet d'enregistrer en 25 continu les différents paramètres de la fermentation et du processus d'épuration. Il permet aussi : - Un pilotage à distance du procédé. - Le réglage des températures (boucle de circulation cuve). - Le réglage des débits (alimentation. recirculation), - La composition du biogaz produit en terme de concentrations en méthane et en dioxyde de 30 carbone. - La régulation du PH dans la boucle de recirculation. L'invention comprend également un dispositif d'épuration biologique anaérobie qui comporte un dispositif d'alimentation des eaux usées. un dispositif d'introduction des dites eaux usées à la 35 partie haute d'un réacteur biologique fonctionnant en anaérobie, comportant à sa partie basse un10 lit fixé. contenant un garnissage en vrac de matériau inerte placé sur un support et pourvu d'un dispositif de dispersion disposé au sommet de la cuve. d'un dispositif de soutirage des boues. placé à la partie inférieure du réacteur biologique et d"un dispositif de sortie des eaux épurées. qui envoie celles-ci dans un bac central de couplage où les effluents subissent une clarification supplémentaire. Du bac central part une conduite disposée à la base, qui renvoie une partie des effluents sur la partie haute du réacteur biologique, par l'intermédiaire de la pompe P2. et une autre partie des effluents envoyée sur l'unité de filtration tangentielle à l'aide de la pompe P3. A la sortie de l'unité de filtration le retentat est renvoyé dans le bac central de couplage et le perméat est évacué pour une nouvelle utilisation des eaux ou un traitement de finition. Le dispositif selon l'invention sera mieux défini par la figure I ci-annexée. qui montre essentiellement un réservoir d'alimentation (A) couplé au réacteur biologique (B) par l'intermédiaire d'une pompe (Pl) connecté à une canalisation (C) débouchant au sommet du réacteur biologique (B) et d'une canalisation (C') provenant du bac central de couplage (D) par l'intermédiaire d'une pompe (P2). Le réacteur biologique (B) comporte un dispositif de soutirage des boues (E) placé à la base et une conduite d'évacuation des eaux épurées (C") amenant les effluents au bac central de couplage (D). Celui-ci comporte à sa partie inférieure une conduite d'évacuation (C"') amenant les effluents à l'unité de filtration (F) par l'intermédiaire de la pompe (P3). L'unité de filtration tangentielle (F) comporte d'un côté une conduite d'évacuation du perméat (K) constitué par les eaux complètement épurées ainsi qu'une conduite de sortie à la partie haute. pour l'évacuation du retentat (J) qui est recyclé dans le bac central de couplage (D). Le réacteur biologique (B) est pourvu à son sommet d'une vanne d'évacuation des biogaz vers l'extérieur (H). Ce dispositif convient tout particulièrement pour le traitement des effluents issus de l'industrie agroalimentaire comme par exemple ceux de l'industrie de transformation du lait. les effluents vitivinicoles, les effluents de brasseries, les effluents des industries de boisson comme par exemple les jus de fruits. Ce dispositif convient d'une manière générale pour l'épuration de toute eau usée comportant une forte charge organique soluble ou non particulaire.35 REVENDICATIONS1- Procédé de traitement biologique d'effluents contenant une forte concentration de substances organiques, comportant l'utilisation d'un réacteur biologique anaérobie de cellules fixées. et un dispositif de filtration, caractérisé en ce qu'il associe un réacteur biologique anaérobie alimenté en effluents par le haut. et fonctionnant à courant descendant. à un dispositif externe de filtration tangentielle doté de membranes à faible seuil de coupure. 2- Procédé selon la revendication l dans lequel le réacteur biologique et l'unité de filtration tangentielle sont reliés entre eux par un dispositif de couplage rendant les hydrauliques des deux systèmes complètement indépendants. 3- Procédé selon la revendication 1 dans lequel le réacteur biologique à lit fixe contient un garnissage en vrac ou ordonné formé d'un matériau inerte. 4- Procédé selon la revendication 1 et la revendication 3 dans lequel le matériau inerte est constitué de supports en polyéthylène haute densité ou de polyéthylène. 5- Procédé selon la revendication 3 dans lequel le garnissage est disposé sur un support tel que treillis ou caillebotis, disposé à la partie basse du réacteur. 6- Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'alimentation du réacteur biologique se fait 25 par le haut de la cuve par l'intermédiaire d'une pompe de circulation. 7- Procédé selon la revendication 1 dans lequel la répartition de l'effluent au somment de la cuve s'effectue d'une manière homogène au moyen d'un dispositif de dispersion. 30 8- Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'agitation du milieu biologique et l'homogénéisation de la température dans le réacteur biologique sont assurées par une boucle externe de circulation.20 9- Procédé selon la revendication 1 dans lequel le dispositif de couplage entre le réacteur biologique et l'unité de filtration est réalisé d'une manière indépendante à l'aide de deux pompes de circulation distincts et d'un bac de couplage externe. 10- Dispositif d'épuration biologique anaérobie mettant en oeuvre le procédé de la revendication 1 qui comporte un dispositif d'alimentation en eaux usées, un dispositif d'introduction des dites eaux usées à la partie haute d'un réacteur biologique comportant à sa partie basse un lit fixé contenant un garnissage en vrac de matériau inerte placé sur un support et pourvu d'un dispositif de dispersion au sommet de la cuve du réacteur et d'un dispositif de soutirage des boues à la partie inférieure du réacteur biologique, un dispositif de sortie des eaux épurées, un bac central de couplage qui reçoit les eaux épurées et deux conduits d'évacuation, l'un renvoyant une partie des effluents sur le réacteur biologique par l'intermédiaire d'une pompe de circulation électrique P2, et l'autre envoyant les effluents sur l'unité de filtration tangentielle à l'aide d'une autre pompe de circulation P3, l'unité de filtration tangentielle assurant la séparation d'un retentat recyclé dans le bac central de couplage, et un perméat qui peut être directement utilisé ou rejeté dans un milieu naturel.