Brevet FR2962921A1 — publié le 20120127

PROCEDE DE LAVAGE D'UN MODULE DE FILTRATION D'EAU COMPORTANT DES MEMBRANES, ET MODULE DE FILTRATION POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE. L'invention est relative à un procédé de lavage d'un module de filtration d'eau, qui comporte des membranes du type fibres creuses à peau externe, en particulier des membranes de microfiltration ou d'ultrafiltration. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement un module de filtration utilisé en mode de filtration frontale. Les membranes du module sont montées à l'intérieur d'une enveloppe rigide avec délimitation : - d'un compartiment concentrat situé autour des membranes, à l'extérieur de celles-ci, où s'accumulent les matières retenues tant en suspension que sur les membranes, - et d'un compartiment perméat, comprenant l'espace intérieur des membranes et au moins une chambre dans laquelle débouche une extrémité des membranes, l'autre extrémité des membranes étant fermée ou communiquant avec le compartiment perméat, l'alimentation en liquide à filtrer s'effectuant par un port alimentation situé en partie basse de l'enveloppe et qui débouche dans le compartiment concentrat, la sortie du liquide filtré s'effectuant en partie haute de l'enveloppe par un port perméat, et au moins une sortie communiquant avec le compartiment concentrat pour évacuer, lors du lavage, un rétentat contenant les impuretés. Les membranes, en particulier de microfiltration et d'ultrafiltration, constituent un moyen de séparation liquide/solide destiné à débarrasser un liquide des fines particules qu'il peut contenir. Les particules retenues s'accumulent au voisinage des membranes et doivent être évacuées régulièrement. Cette évacuation se fait principalement au moyen d'un fluide, généralement le liquide traité, au cours d'opérations périodiques dites de rétrolavage, ayant lieu typiquement environ toutes les 20 minutes à 1 h. Le rétrolavage est une opération dont l'efficacité est critique pour le bon fonctionnement, à moindre coût, d'une installation de filtration membranaire pour plusieurs raisons : - d'une part, un rétrolavage de cycle efficace permet de maintenir des flux de filtration élevés, gage d'économie globale du système, et d'espacer les opérations cycliques de maintenance qui font généralement appel à des réactifs onéreux et/ou à des temps d'indisponibilité du système qui pénalisent sa production moyenne annuelle, - d'autre part, durant le rétrolavage, le système ne produit pas et consomme au contraire de l'énergie et de l'eau qu'il a fallu préalablement filtrer. Ces contraintes réduisent la production nette obtenue à partir d'une quantité brute d'eau à filtrer, augmentent la consommation énergétique, et conduisent à augmenter la taille de l'installation et donc son coût de première installation et ses frais d'exploitation. Enfin il existe des risques de dégradation des membranes lors de l'application des fluides et réactifs de lavage, ce qui réduit la durée de vie de l'installation et peut obliger à renouveler plus fréquemment les membranes. On recherche donc un procédé de nettoyage qui, tout en conservant une bonne efficacité, permet d'espacer les lavages chimiques et de limiter la dégradation des membranes, et de réduire à la fois les débits instantanés de fluides de lavage et leur durée d'application, ainsi qu'à réduire d'éventuels temps morts lors de la phase de lavage. US 2004/0007525 propose un procédé de nettoyage de membranes d'ultrafiltration ou de microfiltration faisant intervenir un rétrolavage des membranes avec un agent de nettoyage chimique selon des pulsations répétées, les membranes étant du type fibres creuses à peau externe. En outre, une injection d'air est prévue dans le bassin d'eau brute à filtrer. Cette eau brute arrive en partie supérieure du bassin, avec évacuation du rétentat en partie basse. Le nettoyage assuré par un tel procédé demande à être amélioré, notamment en ce qui concerne l'évacuation des particules légères qui ont tendance à flotter. L'invention vise à améliorer le rétrolavage, plus particulièrement le rétrolavage de modules de filtration membranaire à fibres creuses à peau externe, en configuration verticale. Dans ces modules, l'eau à filtrer est amenée sous pression dans le compartiment concentrat d'enveloppes, résistantes à la pression, qui contiennent des faisceaux de fibres creuses. L'eau traverse les 3o fibres de l'extérieur vers l'intérieur. L'eau débarrassée de ses impuretés est collectée au centre des fibres creuses et constitue le perméat, tandis que les impuretés restent à l'extérieur des fibres et constituent le rétentat. L'invention a pour but de trouver un compromis efficace entre la consommation d'eau de rétrolavage entraînant une perte de rendement et la 35 consommation d'air lors du lavage, pouvant entraîner une fragilisation en cas de débit d'air trop important. En assurant un rétrolavage efficace, on peut espacer davantage les lavages chimiques qui détériorent progressivement les membranes. Selon l'invention, un procédé de lavage d'un module de filtration d'eau, comportant des membranes, en particulier de microfiltration ou d'ultrafiltration du type fibres creuses à peau externe, du genre défini précédemment, est caractérisé en ce que, après arrêt de la filtration : - on effectue une première phase de lavage à l'air et à l'eau simultanément, l'eau étant introduite par le port perméat en partie haute de l'enveloppe, l'air étant introduit en partie basse de l'enveloppe par le port alimentation, et on fait sortir les deux fluides en partie haute de l'enveloppe par un port rétentat, - puis on effectue une deuxième phase de rinçage à l'eau seule, l'eau étant 1 o introduite par le port perméat, en partie supérieure, et on fait sortir l'eau de rinçage successivement, dans un ordre quelconque, par le port rétentat en partie haute de l'enveloppe, ou le port alimentation, en partie inférieure, ou les deux simultanément. Les deux phases peuvent être immédiatement suivies par la reprise 15 de filtration, avec ou sans une phase de relaxation système isolé. Selon une variante, après les deux phases, une opération de rinçage à l'eau brute est effectuée avec entrée par le port alimentation et sortie par le port rétentat, le port perméat étant fermé, puis la reprise de filtration a lieu avec ouverture du port perméat et fermeture du port rétentat. 20 Avantageusement, lors de la première phase de lavage, le débit d'air est compris entre 20 et 50 NL/h par m2 (entre 20 et 50 litres normaux, par heure, par m2) de surface filtrante et le débit d'eau est compris entre 30 et 80 L/h (litres par heure) par m2de surface filtrante. Pour la deuxième phase, le débit d'eau est de préférence compris 25 entre 30 et 80 L/h par m2de surface filtrante Lors de la deuxième phase, l'ouverture simultanée du port rétentat et du port alimentation peut être suivie de la fermeture du port rétentat, l'eau sortant alors uniquement par le port alimentation. La durée de la première phase de lavage peut être comprise entre 30 10 et 45 secondes, et la durée de la deuxième phase peut être comprise entre 20 et 60 secondes L'invention est également relative à un module de filtration d'eau, pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini précédemment, comportant des membranes, en particulier de microfiltration ou d'ultrafiltration du type fibres 35 creuses à peau externe, qui sont montées à l'intérieur d'une enveloppe rigide avec délimitation : - d'un compartiment concentrat situé autour des membranes, à l'extérieur de celles-ci, où s'accumulent les matières retenues tant en suspension que sur les membranes, - et d'un compartiment perméat, comprenant l'espace intérieur des membranes et au moins une chambre dans laquelle débouche une extrémité des membranes, l'autre extrémité des membranes étant fermée ou communiquant avec le compartiment perméat, l'alimentation en liquide à filtrer s'effectuant par un port alimentation situé en partie basse de l'enveloppe et qui débouche dans le compartiment concentrat, la sortie du liquide filtré s'effectuant en partie haute de l'enveloppe 10 par un port perméat, et au moins un port rétentat en partie haute de l'enveloppe communiquant avec le compartiment concentrat. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus 15 explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins : Fig. 1 est une vue en élévation schématique d'un module de filtration selon l'invention, en configuration de filtration. 20 Fig. 2 est une coupe verticale schématique à plus grande échelle, avec parties arrachées, du module de Fig. 1. Fig. 3 est une vue semblable à Fig. 1 du module lors de la première phase de lavage à l'air et à l'eau. Fig. 4 illustre, semblablement à Fig. 1, le module de filtration, 25 pendant la deuxième phase, lors d'une sous-phase avec introduction de l'eau de lavage par le port perméat et sortie par le port rétentat. Fig. 5 montre schématiquement une autre sous-phase de la deuxième phase, l'eau de lavage étant toujours introduite par le port perméat, et sortant par le port rétentat et le port alimentation en partie basse. 30 Fig. 6 illustre une sous-phase de rinçage avec entrée de l'eau de lavage par le port perméat et sortie par le port alimentation en partie basse, et Fig. 7 illustre un rinçage à l'eau brute avec introduction par le port inférieur d'alimentation et sortie par le port rétentat latéral, avant le retour en production du module. 35 En se reportant à Figs. 1 et 2 des dessins, on peut voir un module M de filtration d'eau comportant, à l'intérieur d'une enveloppe 1 rigide et résistante à la pression, des membranes 2 de microfiltration ou d'ultrafiltration du type fibres creuses 2a à peau externe. Ces membranes, comme visible sur Fig. 2, sont disposées en faisceaux et montées verticales à l'intérieur de l'enveloppe 1 avec délimitation d'un compartiment concentrat 3 situé autour des membranes 2 à l'extérieur de celles-ci et d'un compartiment perméat 4 comprenant une chambre 4a et l'espace intérieur des fibres 2a. Les extrémités supérieures des fibres 2a s'ouvrent dans l'espace 4a. L'enveloppe 1 est fermée, en partie basse, par un fond 1 a, notamment tronconique, comportant, dans sa partie centrale, une tubulure d'arrivée d'eau brute à filtrer constituant le port alimentation 5. Ce port est équipé d'une valve 5a. 1 o L'extrémité supérieure de l'enveloppe 1 comporte un couvercle 1 b formant chapeau tronconique muni dans sa partie centrale d'une tubulure 6 de sortie de l'eau filtrée ou perméat, équipée d'une valve 6a. La tubulure 6 constitue le port perméat. En partie supérieure, les fibres ou membranes 2 sont empotées dans 15 une substance formant une cloison solide W empêchant l'eau de passer directement du compartiment concentrat 3 au compartiment perméat 4. Le passage de l'eau vers le compartiment perméat ne peut s'effectuer qu'à travers la paroi des membranes de l'extérieur vers l'intérieur, les impuretés étant retenues par la peau extérieure des membranes. Les extrémités 20 supérieures des membranes 2 sont ouvertes dans la chambre 4 du compartiment perméat. Les extrémités inférieures des fibres 2 sont obturées et maintenues dans un plancher 7 comportant des passages 8 pour l'eau à traiter qui arrive par le port d'alimentation 5. Ces passages 8 servent aussi à l'injection d'air lors 25 d'une opération de lavage. Le module 1 comporte en partie haute, sur le côté au-dessous de la cloison W, un port rétentat latéral 9, avec valve 9a, qui débouche dans le compartiment concentrat 3 pour évacuation du rétentat lors de l'opération de lavage. Pendant la filtration qui a lieu en mode frontal, la valve 9a est fermée et 3o les impuretés s'accumulent sur la surface externe des fibres. L'eau brute à filtrer est introduite sous pression en partie basse du module, par le port alimentation 5. L'eau brute pénètre, par les passages 8, dans le compartiment concentrat 3 et traverse de l'extérieur vers l'intérieur la paroi des fibres 2a. L'eau filtrée qui a traversé les fibres est collectée en partie 35 supérieure dans la chambre 4a. Le perméat est évacué par le port perméat 6, la valve 6a étant ouverte. Le port rétentat 9 est fermé par la valve 9a pendant l'opération de filtration. Pour effectuer le nettoyage des membranes du module M, on procède comme suit. La filtration est arrêtée, et la partie de l'installation à nettoyer est isolée et dépressurisée. Une installation de filtration est généralement constituée de plusieurs ensembles de modules, chaque ensemble constituant un "rack". Pour les opérations de nettoyage, on opère généralement sur un seul ensemble ou "rack", les autres racks continuant à produire de l'eau filtrée. Lors d'une première phase, on met en oeuvre un contre-courant d'eau et un faible débit d'air. Les débits d'air mis en oeuvre sont avantageusement de 20 à 50 NL/h par mètre carré de surface filtrante (soit de 2 Nm3/h à 5 Nm3/h par 100 m2 de surface unitaire théorique). Le débit simultané d'eau de rétrolavage est inférieur au débit de filtration et est généralement compris entre 30 et 80 L/h d'eau par m2 de surface filtrante (soit entre 3 et 8 m3/h d'eau par 100 m2 de surface unitaire théorique). L'eau de rétrolavage est introduite (Fig.3) par le port perméat 6, de haut en bas, tandis que l'air est introduit par le port alimentation 5 de bas en haut. Le port rétentat 9 est ouvert. L'eau de rétrolavage traverse donc à contre-courant les fibres 2a du module qui sont agitées par l'air injecté par le port alimentation 5. L'eau et l'air de rétrolavage sont évacués par le port rétentat 9 qui n'est utilisé qu'à cette occasion. Les impuretés constituées par des particules fines qui se détachent de la paroi extérieure des fibres 2a peuvent être entraînées par des bulles d'air vers le haut. Le port rétentat 9 situé en partie supérieure permet d'évacuer ces particules flottées qui auraient tendance à demeurer dans le compartiment concentrat 3 si l'évacuation était prévue en partie basse de ce compartiment. Cette première phase a pour principal effet de décoller les particules accumulées sur la peau externe des membranes en vue de faciliter leur évacuation ultérieure. Les impuretés sont pour partie flottées par l'air et évacuées par le port rétentat 9, et pour partie décantées vers le bas. Le contre-courant d'eau de rétrolavage est inférieur au débit de 3o filtration de sorte que la taille des tuyauteries et donc leur coût sont déterminés non pas par les besoins de lavage mais par ceux de la filtration. Le débit d'air est limité, ce qui réduit la dépense énergétique car il a été constaté, d'une part, que le lavage simultané air et eau est plus efficace que l'alternance de phases d'air et d'eau seules et, d'autre part, que la limitation du débit d'air diminue les 35 risques de casse des fibres 2a, tout en préservant l'efficacité du rétrolavage. La durée de la première phase de lavage est de préférence comprise entre 10 et 40 secondes au maximum. Cette première phase de lavage est illustrée par le schéma de Fig. 3 avec les flèches indiquant l'injection d'eau de rétrolavage par le port de perméat 6, l'injection d'air par le port d'alimentation 5 et l'évacuation de l'air et de l'eau par le port rétentat 9. On réalise ensuite une deuxième phase de rinçage à l'eau seule mettant en oeuvre un contre-courant d'eau arrivant toujours par le port perméat 6 comme illustré sur Fig. 4. Le port alimentation 5 en partie inférieure est fermé tandis que le port rétentat 9 en partie haute sur le côté reste ouvert dans un premier temps. L'eau de rinçage est évacuée latéralement. Une sous-phase intermédiaire illustrée par le schéma de Fig. 5 est 1 o avantageusement prévue avec les ports rétentat 9 et alimentation 5 ouverts pour les sorties de l'eau de rinçage qui est injectée par le port perméat 6. Lors d'une dernière sous-phase, illustrée par Fig.6, l'eau introduite côté perméat par le port 6 en partie supérieure est évacuée en partie inférieure par le port alimentation 5 ouvert alors que le port rétentat 9 est fermé. De la 15 sorte, le module est rincé et les impuretés qui ont décanté en partie inférieure sont entraînées à travers l'orifice d'alimentation 5. Il n'est ainsi pas possible que des impuretés demeurent dans le module et soient immédiatement réintroduites à la reprise de la filtration. La sous-phase intermédiaire correspondant au schéma de Fig. 5 est 20 de courte durée, notamment de l'ordre de, ou inférieure à, 15 secondes, et a pour but d'éviter tout à-coup de pression tout en laissant aux vannes un temps suffisant pour leur manoeuvre. Le débit d'eau n'est pas interrompu durant cette période. La durée de la seconde phase de rinçage est adaptée en fonction 25 des caractéristiques de l'eau. Les durées des sous-phases sont typiquement de 15 secondes, soit une durée totale de 3 x 15 secondes pour la deuxième phase. A l'issue de cette seconde phase, les modules sont toujours pleins d'eau et la filtration peut reprendre au débit nominal. 30 On peut prévoir, comme illustré sur Fig.7, après la seconde phase et avant reprise de la production, un rinçage à l'eau brute introduite par le port alimentation 5 et évacuée par le port rétentat 9, alors que le port perméat 6 est fermé. La production (filtration) reprend ensuite avec ouverture du port perméat 6 et fermeture du port rétentat 9, pour retrouver la configuration de Fig.1. 35 La durée d'immobilisation, et la consommation d'eau de lavage selon le procédé de l'invention, sont réduites au minimum, ce qui limite le coût de l'installation à des valeurs inférieures à celles des installations actuellement en service. Le procédé de nettoyage selon l'invention permet un allongement de l'ordre de 15 % du temps admissible entre deux nettoyages chimiques. Le procédé assure un meilleur nettoyage des membranes, et une meilleure récupération de la perméabilité des membranes du type peau externe, avec filtration en mode frontal. La sous-phase intermédiaire de la deuxième phase de rinçage, au cours de laquelle le port rétentat 9 en partie supérieure et le port alimentation 5 en partie basse sont ouverts simultanément, permet un bon nettoyage de la partie centrale, c'est-à-dire de la zone située sensiblement à mi-hauteur du module.10 REVENDICATIONS1. Procédé de lavage d'un module (M) de filtration d'eau, comportant des membranes (2), en particulier de microfiltration ou d'ultrafiltration du type fibres creuses à peau externe (2a), qui sont montées à l'intérieur d'une enveloppe rigide avec délimitation : - d'un compartiment concentrat (3) situé autour des membranes, à l'extérieur de celles-ci, où s'accumulent les matières retenues tant en suspension que sur les membranes, - et d'un compartiment perméat (4), comprenant l'espace intérieur des membranes et au moins une chambre (4a) dans laquelle débouche une extrémité des membranes, l'autre extrémité des membranes étant fermée ou communiquant avec le compartiment perméat, l'alimentation en liquide à filtrer s'effectuant par un port alimentation (5) situé en 15 partie basse de l'enveloppe et qui débouche dans le compartiment concentrat (3), la sortie du liquide filtré s'effectuant en partie haute de l'enveloppe par un port perméat (6), et au moins une sortie communiquant avec le compartiment concentrat pour 20 évacuer lors du lavage un rétentat contenant les impuretés, caractérisé en ce que, après arrêt de la filtration : - on effectue une première phase de lavage à l'air et à l'eau simultanément, l'eau étant introduite par le port perméat (6) en partie haute de l'enveloppe, l'air étant introduit en partie basse de l'enveloppe par le port alimentation (5), et on 25 fait sortir les deux fluides en partie haute de l'enveloppe par un port rétentat (9), - puis on effectue une deuxième phase de rinçage à l'eau seule, l'eau étant introduite par le port perméat (6), en partie supérieure, et on fait sortir l'eau de rinçage successivement, dans un ordre quelconque, par le port rétentat (9) en partie haute de l'enveloppe, ou le port alimentation (5) en partie inférieure, ou 30 les deux simultanément. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux phases sont immédiatement suivies par la reprise de filtration, avec ou sans une phase de relaxation système isolé. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après les deux phases, une opération de rinçage à l'eau brute est effectuée avec entrée par le port alimentation (5) et sortie par le port rétentat (9), le port perméat (6) étant 35fermé, puis la reprise de filtration a lieu avec ouverture du port perméat (6) et fermeture du port rétentat (9). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour la première phase de lavage, le débit d'air est compris entre 20 et 50 NL/h par m2de surface filtrante et le débit d'eau est compris entre 30 et 80 L/h par m2de surface filtrante 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 1 o en ce que, pour la deuxième phase, le débit d'eau est compris entre 30 et 80 L/h par m2de surface filtrante 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture simultanée du port rétentat (9) et du port alimentation (5) 15 est suivie de la fermeture du port rétentat (9), l'eau sortant alors uniquement par le port alimentation (5). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée de la première phase de lavage est comprise entre 10 et 45 20 secondes, et la durée de la deuxième phase est comprise entre 20 et 60 secondes 8. Module (M) de filtration d'eau, pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des membranes 25 (2), en particulier de microfiltration ou d'ultrafiltration du type fibres creuses à peau externe (2a), qui sont montées à l'intérieur d'une enveloppe rigide avec délimitation : - d'un compartiment concentrat (3) situé autour des membranes, à l'extérieur de celles-ci, où s'accumulent les matières retenues tant en suspension que sur les 30 membranes, - et d'un compartiment perméat (4), comprenant l'espace intérieur des membranes et au moins une chambre (4a) dans laquelle débouche une extrémité des membranes, l'autre extrémité des membranes étant fermée ou communiquant avec le compartiment perméat, 35 l'alimentation en liquide à filtrer s'effectuant par un port alimentation (5) situé en partie basse de l'enveloppe et qui débouche dans le compartiment concentrat (3), la sortie du liquide filtré s'effectuant en partie haute de l'enveloppe par un portperméat (6), et au moins un port rétentat (9) en partie haute de l'enveloppe communiquant avec le compartiment concentrat (3).