Brevet FR2954763A1 — publié le 20110701

INSTALLATION POUR LE TRAITEMENT D'EAUX RESIDUAIRES. L'invention est relative à une installation pour le traitement d'eaux résiduaires, 5 comprenant au moins un réacteur à membranes. Les réacteurs à membranes, notamment ceux connus sous le nom d'ULTRAFOR® (voir Mémento Technique de l'Eau, 10ème Edition, Tome 2, DEGREMONT SUEZ, pages 924 et suivantes) permettent un traitement de 10 qualité des eaux résiduaires mais posent un certain nombre de problèmes concernant : - la mise en route ; - la mise en chômage des membranes ; - la variation saisonnière de la performance et l'adaptation de la performance 15 aux objectifs de rejet ; - le remplacement des diffuseurs d'air ; - le lavage et la manipulation des cassettes de membranes ; - la compacité, - l'optimisation des coûts de construction et d'exploitation. 20 En particulier, avant de mettre en service les membranes, il est impératif de démarrer la biologie. Cela induit du temps, une préparation délicate et un coût non négligeable. 25 L'invention a pour but, surtout, de fournir une installation qui facilite l'utilisation d'un réacteur à membranes, et qui soit d'une grande souplesse d'exploitation tout en permettant un niveau de traitement de bonne qualité. L'invention a également pour but de fournir une installation relativement 30 compacte, d'un coût d'investissement aussi réduit que possible et d'un entretien simple pour réduire les frais de fonctionnement. Selon l'invention, une installation pour le traitement d'eaux résiduaires, comprenant au moins un réacteur à membranes, est caractérisée en ce qu'elle 35 comprend au moins deux réacteurs biologiques séquentiels travaillant par alternance de phase d'aération et de phase de décantation/clarification, et au moins un bassin de prétraitement dans lequel débouche l'arrivée d'eau brute, les réacteurs biologiques et le bassin de prétraitement étant associés au réacteur à membranes, des moyens de communication et des vannes étant prévus entre les différents réacteurs et bassin pour diriger l'eau brute, après son passage dans le bassin de prétraitement vers l'un des réacteurs biologiques séquentiels et/ou le réacteur à membranes, et permettre un traitement continu des eaux résiduaires par les réacteurs biologiques séquentiels et/ou le réacteur à membranes, ou par les deux en série. Avantageusement, le bassin de prétraitement est un bassin d'anoxie. De préférence, le bassin de prétraitement et le réacteur à membranes sont disposés entre les deux réacteurs biologiques séquentiels. Avantageusement, le bassin de prétraitement et/ou le réacteur à membranes, comportent au moins une paroi commune avec chacun des deux réacteurs biologiques séquentiels qui les encadrent. De préférence, les réacteurs biologiques séquentiels comportent des évacuations siphoïdes pour travailler à niveau constant. Avantageusement, l'installation comprend une chambre de transfert comprise entre une paroi de l'installation et une paroi du réacteur à membranes, cette chambre de transfert pouvant communiquer avec : - les réacteurs biologiques par des vannes; - le bassin de prétraitement par une canalisation munie d'une vanne ; - une chambre intermédiaire comprise entre le réacteur à membranes et le bassin de prétraitement par une canalisation munie d'une vanne; - le réacteur à membranes par des vannes situées à la hauteur du niveau de 25 liquide, ce réacteur à membranes pouvant communiquer avec la chambre intermédiaire par des vannes situées en partie basse. Les réacteurs biologiques séquentiels peuvent avoir une forme rectangulaire, ainsi que le bassin de prétraitement. En variante, les réacteurs biologiques 30 séquentiels peuvent être sensiblement semi-circulaires et le bassin de prétraitement est compris entre deux parois sensiblement diamétrales d'un contour global circulaire. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un 35 certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est une vue schématique en plan d'une installation selon l'invention. Fig. 2 est une coupe verticale longitudinale schématique selon la ligne II-II de Fig.1 Fig. 3 est une coupe verticale longitudinale schématique selon la ligne III-III de Fig. 1. Fig. 4 est une coupe verticale schématique axiale selon la ligne IV-IV de Fig. 1. Fig. 5 est une vue schématique de détail en coupe verticale d'une évacuation et alimentation selon la ligne V-V de Fig.1. Fig. 6 est une vue schématique en plan illustrant les trajets du fluide dans l'installation lorsque le réacteur biologique A est en phase d'aération tandis que le réacteur B est en phase de clarification. Fig. 7 est un schéma semblable à Fig. 6 pour une phase au cours de laquelle le réacteur biologique A est en phase de décantation tandis que le réacteur biologique B est en phase de vidange. Fig. 8 est un schéma correspondant à une situation inversée par rapport à celle de Fig. 6. Fig. 9 est un schéma de fonctionnement avec mise en oeuvre du seul réacteur à membranes. Fig. 10 est un schéma d'un fonctionnement mixte. Fig. 11 est un diagramme donnant les états fermés ou ouverts des différentes vannes de l'installation lors des différentes phases d'un traitement avec les réacteurs biologiques seuls, et Fig. 12 est un tableau semblable à celui de Fig. 11 pour le fonctionnement jumelé du réacteur à membranes avec les réacteurs biologiques. En se reportant à Fig. 1, on peut voir le schéma de principe d'une installation conforme à l'invention, pour le traitement d'eaux résiduaires, comportant un réacteur à membranes 1, les membranes étant assemblées sous forme de cassettes 2 schématisées par des rectangles. L'installation comprend au moins deux réacteurs biologiques séquentiels A, B travaillant par alternance de phase d'aération et de phase de décantation/clarification, et au moins un bassin de prétraitement 3. Le prétraitement correspond avantageusement à une phase anoxie de pré- dénitrification. Des moyens d'aération, non représentés, notamment des buses au niveau du plancher, des turbines, des pompes aératrices ou des éjecteurs, sont prévus dans les réacteurs A, B , pour l'insufflation d'air, ou d'un gaz oxygéné, lorsque des phases d'aération sont souhaitées Le bassin de prétraitement 3 de même que le réacteur à membranes 1 sont disposés entre les réacteurs A et B. Les différents réacteurs et bassin, dans l'exemple illustré sur Fig. 1 ont une forme rectangulaire. Toutefois, d'autres formes sont possibles. En particulier, les réacteurs A et B pourraient avoir une forme sensiblement semi-circulaire tandis que l'ensemble du bassin 3 et du réacteur à membranes 1 formerait un rectangle s'étendant de part et d'autre d'un diamètre de la circonférence circonscrite aux deux réacteurs A et B. L'eau brute à traiter arrive dans le bassin de prétraitement 3 par un conduit 4 qui passe sous le plancher du réacteur à membranes 1, pour déboucher en partie basse du bassin 3. L'ensemble du bassin 3 et du réacteur à membranes 1 est délimité, de chaque côté longitudinal, par une paroi verticale commune respectivement avec le réacteur A et le réacteur B. 20 Des moyens de communication et des vannes sont prévus entre les différents réacteurs et bassin. Vers l'extrémité du bassin 3 éloignée du réacteur à membranes 1, une ouverture munie d'une vanne Al est prévue en partie basse de la paroi 25 séparant le réacteur A du bassin 3. Dans le réacteur A cette ouverture est prolongée par une conduite horizontale 5 qui, sensiblement à mi-largeur du réacteur remonte à la verticale selon un tronc de cône 5a évasé vers le haut pour délivrer l'eau sensiblement à mi-hauteur du réacteur, avec un minimum de turbulences. Lorsque la vanne Al est fermée, la communication est coupée 30 entre le bassin 3 et le réacteur A. Une disposition semblable est prévue avec une vanne B1 entre le bassin 3 et le réacteur B. 35 En partie supérieure des réacteurs A et B, comme illustré sur Fig. 2, des tuyauteries perforées 6, parallèles aux côtés longitudinaux des réacteurs, sont prévues à un niveau inférieur au niveau L de liquide en traitement. Les tuyauteries 6 sont reliées, par une branche verticale 7 à un conduit collecteur 815 transversal, horizontal, dont la position détermine le niveau L constant des réacteurs A et B. Le collecteur transversal 8 est relié, dans sa partie médiane, à une conduite d'évacuation 9 de l'eau traitée. Une vanne A2 est disposée sur le collecteur 8 entre l'évacuation 9 et les sorties du réacteur A. Une vanne B2 est disposée de la même manière entre l'évacuation 9 et les sorties du réacteur B. A l'extrémité des réacteurs A et B éloignée des vannes Al, BI est prévue une paroi verticale transversale 10a, 10b qui s'arrête (Fig.2) à distance du fond G pour laisser un passage inférieur 11 vers une chambre 12a, 12b délimitée par la paroi 10a, 10b et la paroi d'extrémité 13 de l'installation. Une goulotte tronconique 14 d'axe vertical, dont la grande base est tournée vers le haut, communique par sa petite base avec une conduite horizontale transversale 15. La grande base supérieure de la goulotte 14, également appelée tulipe, est située au-dessous du niveau L de liquide. La conduite 15 débouche par une ouverture dans une chambre 16 de transfert comprise entre la paroi verticale 13 d'extrémité de l'installation et une paroi parallèle 17 d'extrémité du réacteur à membranes 1. Un orifice muni d'une vanne A3 est prévu sous la conduite 15 pour faire communiquer la chambre 12a et le réacteur A avec la chambre 16.La vanne A3 est dite « fermée » lorsque l'orifice situé sous la conduite 15 est fermé, et est dite « ouverte » lorsque cet orifice est ouvert, comme illustré sur Fig.5. Lorsque la vanne A3 est fermée, la conduite 15 reste ouverte vers la chambre 16. Une disposition similaire est prévue pour le réacteur B avec une chambre 12b, une goulotte 14, une conduite 15, un orifice et une vanne B3. Il y a toujours communication entre les réacteurs A ou B et la chambre 16. La goulotte verticale 14 permet l'alimentation en clarification derrière la paroi siphoïde verticale 10a, 10b. L'orifice inférieur est prévu du fait que les débits passant par les vannes peuvent aller jusqu'à 600% du débit nominal, lorsque le réacteur correspondant est en aération (débit nominal + 500% de recirculation), alors que le débit qui passe par la goulotte 14 en clarification ne sera que de 100% du débit d'entrée. On pourrait n'avoir que la communication par la goulotte 14, mais il faudrait un diamètre de tuyauterie plus grand. Le réacteur à membranes 1 est constitué de plusieurs compartiments séparés par des parois longitudinales verticales 18 parallèles s'étendant de la paroi transversale verticale 17 à une autre paroi parallèle 19. Chaque compartiment délimité par les parois 18 comporte au moins une cassette 2 de membranes. Dans chaque compartiment à membranes une ouverture munie d'une vanne UE (Fig.3) est prévue dans la paroi 17 à une hauteur telle que le niveau L de liquide traverse l'ouverture. Une vanne US (Fig. 3) est installée sur une autre ouverture prévue en partie basse de la paroi 19, dans chaque compartiment à membranes. L'eau filtrée par les membranes est évacuée par une canalisation 20 reliée par divers branchements aux sorties de l'eau filtrée pour chaque cassette à membranes. Une paroi verticale transversale 21 définit l'extrémité du bassin 3 éloignée des vannes Al, BI. La chambre transversale E comprise entre les parois 19 et 21 comporte une paroi transversale 22 de moindre hauteur que le niveau de liquide L. Cette paroi 22 définit un déversoir de calage pour une chambre intermédiaire 22a comprise entre la paroi 22 et la paroi 19. Dans l'espace compris entre les parois 21 et 22, sont prévues des pompes de recirculation 23 immergées qui refoulent par des canalisations 24, franchissant la paroi 21, la liqueur mixte de la chambre E vers le bassin 3. Une partialisation du refoulement peut être assurée en prévoyant une cloison transversale T à proximité des vannes Al, BI, entre celles-ci et la paroi 21, qui laisse un passage en partie basse ; une ou plusieurs canalisations 24 sont alors prolongées pour déboucher du côté de la cloison T opposé au réacteur 1, et on peut faire recirculer une fraction du liquide sans passer par le bassin 3. La paroi de fond horizontale lb du réacteur à membranes est située à une certaine distance au-dessus du plancher de fond G de l'installation, et s'étend de la paroi 17 à la paroi 21. Les parois 19, 22 s'étendent verticalement seulement jusqu'au fond lb, tandis que les parois 17, 21 s'étendent jusqu'au fond G Une canalisation 25 (Fig. 3) est prévue suivant la direction longitudinale, en partie basse, pour passer sous le réacteur à membranes et établir une communication entre le bassin 3 et la chambre 16. Cette canalisation 25 est munie d'une vanne AD à son débouché dans le bassin 3. Une autre canalisation 26, en partie basse, passant sous le réacteur à membranes 1 est prévue pour établir une communication entre la chambre E et la chambre 16. Cette canalisation 26 peut être fermée par une vanne RM prévue, par exemple, à son débouché dans la chambre 16. Ceci étant, le fonctionnement de l'installation est le suivant. On considère tout d'abord le fonctionnement en SBR (réacteur biologique séquentiel) seul, comme illustré sur Fig. 6, 7 et 8. Le schéma de Fig. 6 illustre une phase au cours de laquelle le réacteur A est en aération, tandis que le réacteur B est en clarification. L'eau brute arrive en continu par la canalisation 4 dans le bassin d'anoxie 3. La vanne Al est ouverte tandis que la vanne B1 est fermée comme indiqué sur Fig. 11. L'eau, après avoir subi le prétraitement dans le bassin 3, passe dans le réacteur A en phase d'aération. Les vannes A3 et RM sont ouvertes et la vanne B3 est fermée. Une fraction de l'eau est recyclée par la canalisation 26 vers la chambre 22a tandis que l'autre fraction entre dans le réacteur B par les tuyauteries 15 et 14 de l'alimentation de la clarification et pousse, par effet piston, l'eau traitée pour son évacuation du réacteur B vers l'évacuation 9, la vanne B2 étant ouverte, tandis que la vanne A2 est fermée. La phase suivante illustrée sur Fig. 7 correspond à une décantation dans le réacteur A ; pour cela, les vannes Al et B1 sont fermées. Les vannes UE et US du réacteur à membranes 1 restent fermées pour éviter une pollution des membranes. L'eau brute qui continue à arriver par la canalisation 4 dans le bassin 3 d'anoxie en sort par la vanne AD qui est ouverte. L'eau se dirige vers la chambre 16 et, de là, passe dans le réacteur B, la vanne B3 étant fermée tandis que la vanne A3 est fermée. Le flux d'eau arrivant par la vanne AD et la tuyauterie 25 est admis dans le réacteur B, en clarification, par les tuyauteries 14 et 15. La phase suivante illustrée sur Fig. 8 correspond à une inversion de la phase de Fig. 6. Le réacteur B est placé en phase d'aération tandis que le réacteur A est en phase de clarification. L'eau brute continue d'arriver par la canalisation 4 et, après avoir traversé le bassin anoxie 3, entre dans le réacteur B car la vanne B1 est ouverte alors que celle Al du réacteur A est fermée. L'eau sort du réacteur B par la vanne B3 pour arriver dans la chambre de transfert 16. Une fraction du débit passe par la canalisation 26 car la vanne RM est ouverte et l'autre fraction du débit passe dans le réacteur A car la vanne A3 est ouverte. Cette fraction du débit d'eau entrant dans le réacteur A assure la vidange de ce réacteur par effet piston en poussant l'eau traitée vers l'évacuation, la vanne A2 étant ouverte, alors que B2 est fermée. L'alternance des cycles avec les deux réacteurs séquentiels A, B permet de traiter en continu l'eau brute qui arrive par la conduite 4. L'installation peut également fonctionner avec le réacteur à membranes 1 seul. 5 Dans ce cas, selon l'exemple illustré sur Fig. 9, l'eau brute arrive par la canalisation 4 dans le bassin d'anoxie 3 et, après avoir subi le prétraitement, passe dans les réacteurs A,B car les vannes Al, B1 sont ouvertes. L'eau circule dans ces réacteurs et sort par les vannes A3, B3 ouvertes pour 10 alimenter en eau à traiter les compartiments des membranes dont les vannes UE sont ouvertes. Le choix du nombre de compartiment à membranes à mettre en service est effectué notamment en fonction du débit d'effluent à traiter. Il est possible de faire fonctionner les réacteurs A, B avec ou sans aération (dénitrification, stress). II est possible d'envisager une alimentation alternée de 15 chaque réacteur A, B. L'installation peut aussi fonctionner de manière jumelée, ou mixte, avec les réacteurs A, B, et le réacteur à membranes 1. Les eaux peuvent être mélangées au rejet par économie, ou les eaux traitées peuvent être affectées à 20 des usages différents. Dans ce cas, les membranes ne sont pas alimentées en phase de décantation, les vannes UE et US étant fermées, pour éviter une pollution des membranes. Fig. 10 illustre un exemple de fonctionnement mixte suivant lequel l'eau est 25 traitée pour partie par les réacteurs A,B et pour une autre partie par le réacteur à membranes 1. Dans ce cas, selon l'exemple de Fig. 10, l'eau quittant le bassin d'anoxie 3 passe, par la vanne Al ouverte, dans le réacteur A qui est en phase d'aération, la vanne BI du réacteur B étant fermée. L'eau passe ensuite dans la chambre 16 par la vanne A3 qui est ouverte. La vanne RM est fermée 30 tandis qu'au moins une vanne UE est ouverte pour alimenter au moins un compartiment à membranes. La vanne B3 est ouverte de sorte qu'une fraction du liquide passe dans le réacteur B, tandis qu'une autre fraction passe dans le réacteur à membranes 1. Si Q est le débit d'eau brute arrivant par la canalisation 4, le débit d'eau traitée sortant du réacteur B étant désigné par Qx, 35 le débit d'eau traité par les membranes est égal à Q ù Qx. Le débit de liqueur mixte recyclé par les pompes 23 peut être cinq fois supérieur au débit traité par les membranes, soit 500% du débit traité. Les tableaux de Fig. 11 et 12 résument les états des différentes vannes selon les différentes phases de traitement. Fig. 11 correspond au fonctionnement en réacteur biologique séquentiel seul tandis que Fig. 12 correspond au fonctionnement jumelé du réacteur à membranes et du réacteur biologique séquentiel. Les cases hachurées correspondent à un état fermé, tandis que les cases en pointillé correspondent à un état ouvert. L'installation de l'invention repose sur l'intégration de membranes dans un ouvrage SBR (réacteur biologique séquentiel) à niveau constant. L'installation assure le traitement biologique en culture libre par un réacteur autonome qui peut se suffire à lui-même et dont le réacteur biologique SBR est séparé en deux cellules A, B jouant alternativement le rôle de bassin d'aération et de clarificateur, et une zone anoxie 3. Il est possible de partialiser la recirculation entre zone anoxie et zone aérée. Le fonctionnement est très souple et peut être soit en traitement membranaire partiel, correspondant à une réutilisation partielle de l'eau traitée par les membranes, soit en clarification membranaire totale, soit en culture libre classique. Le fonctionnement du SBR à niveau constant résulte de l'alternance des phases comme exposé précédemment. L'azote est parfaitement traité en nitrification et dénitrification. L'installation permet de démarrer la biologie comme un réacteur biologique classique avant de mettre en service les membranes, ce qui simplifie les opérations. 30 Le SBR apporte un niveau de traitement de bonne qualité. II est possible d'arrêter tout ou partie des membranes sans altérer de manière importante le niveau de traitement de l'eau. Il est ainsi possible de remplacer les membranes en arrêtant un compartiment à membranes, sans créer de problème. 35 Du fait des variations saisonnières (par exemple stations balnéaires, stations hivernales), il n'est pas toujours utile de pousser les performances de traitement toute l'année ou toute la journée. L'installation permet de travailler soit en SBR25 seul, soit en membranes seules, soit en mélange des deux selon les objectifs technico-économiques ou environnementaux. Les diffuseurs d'air dans les bassins des réacteurs peuvent être remplacés sans arrêter l'arrivée d'eau. Il suffit pour cela d'opérer réacteur par réacteur. Dans ce cas, les membranes fonctionneront en clarification. L'installation fonctionnera en mode partiel pour intervention sur les réacteurs. L'intégration du réacteur à membranes dans l'ouvrage rend possible la mise en 10 place d'une cassette par cellule ou compartiment, et permet de procéder aux différentes opérations, notamment lavage, sans manipuler les cassettes. En plus des avantages énoncés ci-dessus, l'intégration permet une optimisation des coûts. La compacité permet de réduire les coûts de liaison, les coûts de 15 pompage. La souplesse permet de réduire les coûts d'exploitation. Les nombreuses possibilités confèrent à l'installation des avantages indéniables. En cas de problème au niveau du réacteur à membranes, un repli est possible sur le seul SBR. 20 REVENDICATIONS1. Installation pour le traitement d'eaux résiduaires comprenant au moins un réacteur à membranes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux réacteurs biologiques séquentiels (A, B) travaillant par alternance de phase d'aération et de phase de décantation/clarification, et au moins un bassin de prétraitement (3) dans lequel débouche l'arrivée d'eau brute, les réacteurs biologiques et le bassin de prétraitement étant associés au réacteur à membranes (1), des moyens de communication et des vannes (A1, A3, B1, B3, AD, RM, US, UE) étant prévus entre les différents réacteurs et bassin pour diriger l'eau brute, après son passage dans le bassin de prétraitement (3) vers l'un des réacteurs biologiques séquentiels (A,B) et/ou le réacteur à membranes (1), et permettre un traitement continu des eaux résiduaires par les réacteurs biologiques séquentiels et/ou le réacteur à membranes, ou par les deux en série. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bassin de prétraitement (3) est un bassin d'anoxie. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2 , caractérisée en ce que le bassin de prétraitement (3) et le réacteur à membranes (1) sont disposés entre les deux réacteurs biologiques séquentiels (A, B). 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le bassin de prétraitement (3) et/ou le réacteur à membranes (1) comportent au moins une paroi commune avec chacun des deux réacteurs biologiques séquentiels (A, B) qui les encadrent. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisée en ce que les réacteurs biologiques séquentiels comportent des évacuations siphoïdes (6, 7, 8) pour travailler à niveau constant (L). 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre de transfert (16) comprise 35 entre une paroi (13) de l'installation et une paroi (17) du réacteur à membranes, cette chambre (16) de transfert pouvant communiquer avec : - les réacteurs biologiques (A,B) par des vannes (A3, B3) ; - le bassin de prétraitement (3) par une canalisation (25) munie d'une vanne (AD) - une chambre intermédiaire (E) comprise entre le réacteur à membranes (1) et le bassin de prétraitement (3) par une canalisation (26) munie d'une vanne (RM) ; - le réacteur à membranes (1) par des vannes (UE) situées à la hauteur du niveau de liquide (L) , ce réacteur à membranes (1) pouvant communiquer avec la chambre intermédiaire (E) par des vannes (US) situées en partie basse. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les réacteurs biologiques séquentiels (A,B) ont une forme rectangulaire, ainsi que le bassin de prétraitement (3). 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les réacteurs biologiques séquentiels sont sensiblement semi-circulaires et le bassin de prétraitement est compris entre deux parois sensiblement diamétrales d'un contour global circulaire.20