EP1542934A2 - Procede de traitement d eaux residuaires par bio-reacteur a membranes - Google Patents

Procede de traitement d eaux residuaires par bio-reacteur a membranes

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EP1542934A2
EP1542934A2 EP03798216A EP03798216A EP1542934A2 EP 1542934 A2 EP1542934 A2 EP 1542934A2 EP 03798216 A EP03798216 A EP 03798216A EP 03798216 A EP03798216 A EP 03798216A EP 1542934 A2 EP1542934 A2 EP 1542934A2
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EP
European Patent Office
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sludge
polyelectrolyte
liquid effluent
biological
effluent
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03798216A
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German (de)
English (en)
Inventor
Chrystelle Langlais
Michel Cordier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suez International SAS
Original Assignee
Degremont SA
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Publication date
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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
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    • C02F11/14—Treatment of sludge; Devices therefor by de-watering, drying or thickening with addition of chemical agents
    • C02F11/147—Treatment of sludge; Devices therefor by de-watering, drying or thickening with addition of chemical agents using organic substances
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/02—Membrane cleaning or sterilisation ; Membrane regeneration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/08—Prevention of membrane fouling or of concentration polarisation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/444—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by ultrafiltration or microfiltration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F3/12—Activated sludge processes
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    • C02F3/1273—Submerged membrane bioreactors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to the treatment of waste water using membrane bio-reactors.
  • the daily flow rate at the top that is to say liquid effluent from the dehydration operation, represents commonly 1 to 5% of the daily wastewater supply rate urban and sometimes more than 10% of the daily flow when it comes to treating industrial wastewater.
  • This option can manage the risk of clogging of the membranes of the bio-reactor, but it does not eliminate the risk of an accidental overdose of polyelectrolytes during the treatment of sludge. Controlling such a risk is all the more difficult to ensure since the quantitative analysis of the residuals of the polyelectrolytes contained in the head returns is today technically complex, even impossible. b) By subjecting the effluents from the sludge dewatering treatment to a pre-treatment in order to destroy the residual quantities of polyelectrolytes.
  • the present invention has therefore set itself the objective of allowing the recycling, at the head of the water sector of a wastewater treatment installation by membrane bio-reactors, of the effluent originating from the sludge sector, ie that is to say the step of dewatering excess sludge from the water industry, completely eliminating the risk of clogging of the membranes of the water industry by residual polyelectrolytes from the mud industry.
  • this invention relates to a process for treating waste water by a membrane bio-reactor comprising a step of dewatering the sludge and recycling, at the top of the bio-reactor, of the liquid effluent from the sludge dewatering, characterized in that:
  • the biological sludges extracted from the bio-reactor are brought into contact with the liquid effluent originating from the sludge dehydration step so that the residual content of said effluent in polyelectrolyte having been used for conditioning the sludges during the dewatering step migrates to biological sludge; the biological sludge is separated from the liquid effluent so as to obtain, on the one hand a liquid effluent free of polyelectrolyte and on the other hand a biological sludge loaded with polyelectrolyte; the liquid effluent free of polyelectrolyte is recycled at the top of the membrane bio-reactor and, - the biological sludge loaded with polyelectrolyte is discharged towards the dehydration stage.
  • the separation of the biological sludge from the liquid effluent is carried out by filtration on icrofiltration or ultrafiltration membranes.
  • the membranes of the sludge system act as a real physical barrier and produce an effluent free of traces of polyelectrolytes which can be recycled on the system. water, that is to say at the head of the bio-reactor, without risk of clogging of the membranes of the latter, the biological sludge or flocs, loaded with polyelectrolytes being discharged towards the sludge dehydration stage.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an installation implementing the method according to the present invention and, Figure 2 is a view similar to Figure 1, relating to an example of implementation of the method of the invention.
  • FIG 1 there is shown schematically in 1 the water treatment of urban or industrial waste water, this sector comprising a membrane bio-reactor.
  • This installation includes a workshop for dewatering sludge from the water industry, generally designated by the reference 4, with an injection of polyelectrolyte for the conditioning of sludge, this workshop producing, on the one hand dehydrated sludge and, on the other hand, a dewatering effluent evacuated using a pipe 6.
  • the excess sludge from the water system is brought into contact with the dewatering effluent brought through the pipe 6, in a contactor 2.
  • the residual quantity of polyelectrolyte contained in the dehydration effluent migrates from the liquid phase towards the biological flocs or sludges coming from the water sector, by phenomena of adsorption, absorption and flocculation at levels very far from saturation.
  • the polyelectrolyte fixing yield is close to 100%.
  • the contactor 2 can for example be a fast-mixing reactor "TURBACTOR” as described in the Water Technical Memento, Volume 2, page 638, edited by DEGREMONT (Edition du Cinquantenaire 1989).
  • the separation of the biological mud and the liquid phase is then carried out by filtration so as to obtain a liquid effluent free of polyelectrolyte, recycled at the head of the water sector using a pipe 7 and a biological mud loaded with polyelectrolyte which is brought to the dehydration workshop 4 via line 5.
  • this separation can be carried out by filtration on icrofiltration or ultrafiltration membranes acting as a physical barrier so as to produce an effluent free of traces of polyelectrolyte.
  • This effluent can therefore be recycled on the water sector without risk of clogging of the membranes of this sector.
  • the membranes of the mud sector can have any geometry (flat, tubular, hollow fiber), be made of any suitable material (organic or ceramic) and have any operating configuration (external system or submerged system).
  • Figure 2 illustrates an example of implementation of the method of the invention.
  • the characteristic values of the installation have been mentioned used during this implementation and the data obtained.
  • the area of membranes 3 (60 m 2 ) installed on the sludge sector represents only 3% of the area of membranes (2000 m 2 ) of the water sector bio-reactor.
  • the risk of accidentally clogging the membranes is limited to 3% of the total membrane surface of the treatment installation.
  • the fact of dissociating the membranes of the water industry 1 and the membranes 3 of the mud industry enables chemical washing of the membranes of the mud industry without reducing the filtration capacity of the water industry.
  • the dehydration effluent recycled at the top of the water sector is free of polyelectrolyte, which eliminates any risk of clogging of the membranes of the water sector.
  • the invention makes it possible to reduce the consumption of polyelectrolyte used during the conditioning of the sludge in the workshop. dehydration 4.
  • the dosage of polyelectrolyte necessary for the dewatering of the sludge produced by the water sector is 10 kg / TMeS. Recycling polyelectrolyte “leaks” to the dehydration workshop (line 5) makes it possible to reduce polyelectrolyte consumption by 10%, the latter then being 1.8 kg / d instead of 2 kg / d.
  • the advantages brought by the present invention are in particular the following: - it makes it possible to control the clogging character of the liquid effluents resulting from the sludge dehydration stage by transfer of a small quantity of polyelectrolyte to a large quantity of biological flocs (ratio 500 to 4000); - It guarantees the absence of residual traces of polyelectrolyte in the liquid effluent recycled at the head of the water sector, which eliminates the risk of clogging of the membranes of this sector; - it makes it possible to reduce the dosage of polyelectrolyte during the dewatering of the sludge thanks to the recycling of polyelectrolyte leaks on the sludges coming from the water sector, before their conditioning.

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Abstract

Procédé de traitement d'eau résiduaire par un bioréacteur à membranes (1) comportant une étape de déshydratation (4) des boues et un recyclage (6, 7), en tête du bioréacteur, de l'effluent liquide issu de la déshydratation des boues, caractérisé en ce que : - les boues biologiques extraites du bioréacteur (1) sont mises en contact (dans un contacteur (2) avec l'effluent liquide (6) provenant de l'étape de déshydratation des boues de manière que la teneur résiduelle dudit effluent en polyélectrolyte ayant servi au conditionnement des boues lors de l'étape de déshydratation (4) migre vers les boues biologiques; - les boues biologiques provenant du contacteur (2) sont séparées de l'effluent liquide de manière à obtenir, d'une part un effluent liquide (7) exempt de polyélectrolyte et d'autre part une boue biologique (5) chargée en polyélectrolyte ; - l'effluent liquide (7) exempt de polyélectrolyte est recyclé en tête du bioréacteur à membranes (1) et, - la boue biologique (5) chargée en polyélectrolyte est évacuée vers l'étape de déshydratation (4).

Description

Procède de traitement d'eaux résiduaires par bio-réacteur à membranes
La présente invention concerne le traitement des eaux résiduaires à l'aide de bio-réacteurs à membranes.
On sait qu'à l'occasion de tels traitements, il est nécessaire de réaliser une opération de déshydratation des boues biologiques provenant du réacteur, ces boues subissant préalablement un conditionnement chimique afin d'en assurer la floculation. Pour ce conditionnement, on utilise des polymères et plus généralement des polyelectrolytes, notamment en vue d'obtenir des flocs volumineux, bien différenciés, dans une eau interstitielle clarifiée. L'effluent liquide issu de l'opération de déshydratation est recyclé en tête du bioréacteur à membranes.
Les retours de cet effluent en tête du bio-réacteur à membranes induisent un risque majeur qui est dû au fait que cet effluent, provenant de l'opération de déshydratation des boues, contient des quantités résiduelles relativement importantes de polyelectrolytes susceptibles de provoquer un colmatage sévère, voire irréversible des membranes du bio-réacteur.
Lors du traitement d'une eau résiduaire à l'aide d'un bio-réacteur à membranes, le débit journalier des retours en tête, c'est-à-dire de l'effluent liquide issu de l'opération de déshydratation, représente couramment 1 à 5% du débit journalier d'alimentation en eau résiduaire urbaine et parfois plus de 10% du débit journalier lorsqu'il s'agit de traiter des eaux résiduaires industrielles .
Lorsque le traitement de déshydratation des boues et le recyclage en tête de l'effluent liquide issu de cette déshydratation sont effectués de façon discontinue, ce qui est souvent le cas, la proportion entre l'effluent issu de la déshydratation et l'alimentation en eau résiduaire du bio-réacteur peut être ponctuellement bien supérieure, ce qui aggrave encore le risque de colmatage des membranes de la filière de traitement des eaux, c'est-à-dire du bio-réacteur à membranes.
Afin de pallier cet inconvénient, deux solutions sont à l'heure actuelle proposées par l'Homme de l'art : 1°) refuser le risque de colmatage. Dans ce cas, le recyclage en tête de l'effluent liquide n'est pas autorisé. Le traitement des boues issues du bio-réacteur à membranes est alors délocalisé sur une station classique voisine. Or, il n'est pas systématiquement possible d'implanter une telle station de traitement des boues à proximité de la station de traitement des eaux résiduaires et, dans tous les cas, cette solution implique le transport de volumes de boues pouvant devenir difficilement acceptable lorsque la station est de dimensions importantes.
2°) maîtriser le risque : a) en limitant au maximum la quantité (c'est-à-dire le dosage) de polyelectrolytes utilisée pour le conditionnement des boues soumises au traitement de déshydratation, en veillant à réintroduire les retours en tête de l'effluent liquide issu du traitement de déshydratation des boues, au point le plus éloigné des membranes du bio-réacteur et à répartir dans le temps ces retours en tête, de manière à assurer la plus grande dilution possible avec l'eau résiduaire alimentant le bio-réacteur à membranes. Ceci peut notamment se traduire par la nécessité de prévoir un bassin-tampon stockant momentanément l'effluent avant son recyclage en tête.
Cette option peut permettre de gérer le risque de colmatage des membranes du bio-réacteur, mais elle n'élimine pas le risque d'un surdosage accidentel des polyelectrolytes lors du traitement des boues . La maîtrise d'un tel risque est d'autant plus difficile à assurer que l'analyse quantitative des résiduels des polyelectrolytes contenus dans les retours en tête est aujourd'hui techniquement complexe, voire impossible. b) En soumettant les effluents issus du traitement de déshydratation des boues à un pré-traitement en vue de détruire les quantités résiduelles de polyelectrolytes. Cette solution présente cependant 1 ' inconvénient , d' être très coûteuse car l'élimination de quelques milligrammes par litre de quantités résiduelles de polyelectrolytes implique le plus souvent une dépollution au moins partielle de l'effluent issu de la déshydratation des boues. Ainsi, par exemple, un traitement d'oxydation par l'ozone des quantités résiduelles de polyelectrolytes implique un dosage très important et non économique en raison de la demande en ozone de l'effluent (oxydation des matières organiques). Plus généralement, les traitements oxydants effectués sur de tels effluents peuvent également donner lieu à des sous-produits d'oxydation difficiles à éliminer par la filière eau si cette dernière n'a pas été conçue pour traiter ce type de pollution induite. Enfin, en l'absence de véritable « barrière physique », les pré-traitements proposés à l'heure actuelle ne permettent pas d'assurer une élimination totale du risque de colmatage des membranes de la filière de traitement des eaux.
Dans l'hypothèse où ces membranes sont gravement colmatées par le polyelectrolyte, l'Homme de l'art peut mettre en œuvre des procédures de lavage chimiques afin de restaurer les performances des membranes. Cependant l'efficacité de ces procédures est aléatoire et les produits chimiques qu'elles mettent en œuvre sont agressifs pour les membranes, ce qui hypothèque leur durée de vie. En outre, ces procédures impliquent une maintenance lourde, coûteuse et une immobilisation d'une partie de la surface des membranes qui n'est plus disponible alors pour la filtration de l'eau résiduaire. Cet inconvénient se traduit par la nécessité de surdimensionner la partie filtration membranaire.
La présente invention s'est donc fixé pour objectif de permettre le recyclage, en tête de la filière eau d'une installation de traitement d'eaux résiduaires par bio-réacteurs à membranes, de l'effluent provenant de la filière boue, c'est-à-dire de l'étape de déshydratation des boues en excès issues de la filière eau, en supprimant totalement le risque de colmatage des membranes de la filière eau par les résiduels de polyelectrolytes issus de la filière boue.
En conséquence, cette invention concerne un procédé de traitement d'eau résiduaire par un bio-réacteur à membranes comportant une étape de déshydratation des boues et un recyclage, en tête du bio-réacteur, de l'effluent liquide issu de la déshydratation des boues, caractérisé en ce que :
- les boues biologiques extraites du bio-réacteur sont mises en contact avec l'effluent liquide provenant de l'étape de déshydratation des boues de manière que la teneur résiduelle dudit effluent en polyelectrolyte ayant servi au conditionnement des boues lors de l'étape de déshydratation migre vers les boues biologiques ; les boues biologiques sont séparées de l'effluent liquide de manière à obtenir, d'une part un effluent liquide exempt de polyelectrolyte et d'autre part une boue biologique chargée en polyelectrolyte ; l'effluent liquide exempt de polyelectrolyte est recyclé en tête du bio-réacteur à membranes et, - la boue biologique chargée en polyelectrolyte est évacuée vers l'étape de déshydratation.
Selon la présente invention, la séparation des boues biologiques, de l'effluent liquide, est effectuée par filtration sur membranes de icrofiltration ou d'ultrafiltration. En choisissant un seuil de coupure nettement inférieur au poids moléculaire des polyelectrolytes mis en œuvre lors de la déshydratation des boues, les membranes de la filière boue agissent comme une véritable barrière physique et produisent un effluent exempt de traces de polyelectrolytes pouvant être recyclé sur la filière eau, c'est-à-dire en tête du bio-réacteur, sans risque de colmatage des membranes de ce dernier, les boues ou flocs biologiques, chargés en polyelectrolytes étant évacués vers l'étape de déshydratation des boues.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins :
- la figure 1 est une vue schématique représentant une installation mettant en œuvre le procédé selon la présente invention et, la figure 2 est une vue similaire à la figure 1, relative à un exemple de mise en œuvre du procédé objet de l'invention. En se référant à la figure 1, on y a schématisé en 1 la filière eau de traitement d'une eau résiduaire urbaine ou industrielle, cette filière comportant un bio-réacteur à membranes. Cette installation comporte un atelier de déshydratation des boues issues de la filière eau, désigné dans son ensemble par la référence 4, avec une injection de polyelectrolyte pour le conditionnement des boues, cet atelier produisant, d'une part des boues déshydratées et, d'autre part un effluent de déshydratation évacué à l'aide d'une conduite 6. Les boues en excès provenant de la filière eau sont mises au contact de l'effluent de déshydratation amené par la conduite 6, dans un contacteur 2. Au cours de cette mise en contact, la quantité résiduelle de polyelectrolyte contenue dans l'effluent de déshydratation migre de la phase liquide vers les flocs ou boues biologiques provenant de la filière eau, par des phénomènes d' adsorption, d'absorption et de floculation à des niveaux très éloignés de la saturation. Le rendement de fixation du polyelectrolyte est voisin de 100%. Ainsi, le procédé objet de la présente invention permet la mise en contact intime d'une grande quantité de boues biologiques en excès extraites du bio-réacteur à membranes (concentration de l'ordre de 8 à 12 g/1) avec une faible quantité de polyelectrolyte résiduel contenue dans l'effluent de déshydratation. Les pertes de polyelectrolyte au niveau de l'atelier de déshydratation 4 peuvent représenter près de 10% du dosage initial, voire plus en cas de surdosage.
Le contacteur 2 peut être par exemple un réacteur à mélange rapide « TURBACTOR » tel que décrit dans le Mémento Technique de l'Eau, Tome 2, page 638, édité par DEGREMONT (Edition du Cinquantenaire 1989) .
La séparation de la boue biologique et de la phase liquide est ensuite effectuée par filtration de manière à obtenir un effluent liquide exempt de polyelectrolyte, recyclé en tête de la filière eau à l'aide d'une conduite 7 et une boue biologique chargée en polyelectrolyte qui est amenée à l'atelier de déshydratation 4 par la conduite 5. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, cette séparation peut être réalisée par filtration sur membranes de icrofiltration ou d' ultrafiltration agissant comme une barrière physique de manière à produire un effluent exempt de traces de polyelectrolyte. Cet effluent peut donc être recyclé sur la filière eau sans risque de colmatage des membranes de cette filière. Les membranes de la filière boue peuvent présenter toute géométrie (plane, tubulaire, fibre creuse) , être réalisées en tout matériau approprié (organique ou céramique) et présenter toute configuration de fonctionnement (système externe ou système immergé).
La Figure 2 illustre un exemple de mise en œuvre du procédé objet de l'invention. Sur cette figure 2, on a mentionné les valeurs caractéristiques de l'installation utilisée lors de cette mise en œuvre et les données obtenues .
L'examen de cette figure montre que la « fuite » de polyelectrolyte au niveau de l'atelier de déshydratation des boues 4 représente 200 g/j . Ce résiduel de polyelectrolyte est transféré, dans le contacteur 2, sur 200 kg de boues biologiques issues de la filière eau 1, soit un rapport de 1000.
La surface de membranes 3 (60 m2) installée sur la filière boue ne représente que 3% de la surface de membranes (2000 m2) du bio-réacteur de la filière eau. Il en résulte que le risque de colmater accidentellement les membranes est limité à 3% de la surface membranaire totale de l'installation de traitement. Par ailleurs, le fait de dissocier les membranes de la filière eau 1 et les membranes 3 de la filière boue permet d'effectuer un lavage chimique des membranes de la filière boue sans réduire la capacité de filtration de la filière eau. Il est également possible de prévoir deux jeux de membranes sur la filière boue (une en fonctionnement, l'autre en lavage ou à l'arrêt), étant donné la faible surface des membranes de cette filière boue, ceci étant évidemment impossible, pour des raisons économiques, sur la filière eau compte tenu de la surface importante des membranes des bio-réacteurs.
On voit sur cette figure que l'effluent de déshydratation recyclé en tête de la filière eau est exempt de polyelectrolyte, ce qui élimine tout risque de colmatage des membranes de la filière eau. Par ailleurs, l'invention permet de réduire la consommation de polyelectrolyte utilisé lors du conditionnement des boues dans l'atelier de déshydratation 4. En effet, le dosage de polyelectrolyte nécessaire à la déshydratation des boues produites par la filière eau est de 10 kg/TMeS . Le recyclage des « fuites » de polyelectrolyte vers l'atelier de déshydratation (conduite 5) permet de réduire de 10% la consommation de polyelectrolyte, cette dernière étant alors de 1,8 kg/j au lieu de 2 kg/j .
Les avantages apportés par la présente invention sont notamment les suivants : - elle permet de maîtriser le caractère colmatant des effluents liquides issus de l'étape de déshydratation des boues par transfert d'une faible quantité de polyelectrolyte sur une grande quantité de flocs biologiques (rapport 500 à 4000) ; - elle garantit l'absence de traces résiduelles de polyelectrolyte dans l'effluent liquide recyclé en tête de la filière eau, ce qui élimine le risque de colmatage des membranes de cette filière ; - elle permet de réduire le dosage de polyelectrolyte lors de la déshydratation des boues grâce au recyclage des fuites de polyelectrolyte sur les boues provenant de la filière eau, avant leur conditionnement.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes .

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de traitement d'eau résiduaire par un bio-réacteur à membranes comportant une étape de déshydratation des boues et un recyclage, en tête du bioréacteur, de l'effluent liquide issu de la déshydratation des boues, caractérisé en ce que :
- les boues biologiques extraites du bio-réacteur (1) sont mises en contact avec l'effluent liquide provenant de l'étape de déshydratation des boues de manière que la teneur résiduelle dudit effluent en polyelectrolyte ayant servi au conditionnement des boues lors de l'étape de déshydratation (4) migre vers les boues biologiques ;
- les bo ues biologiques sont séparées de l'effluent liquide de manière à obtenir, d'une part un effluent liquide exempt de polyelectrolyte et d'autre part une boue biologique chargée en polyelectrolyte ; l'effluent liquide exempt de polyelectrolyte est recyclé en tête du bio-réacteur à membranes et, - la boue biologique chargée en polyelectrolyte est évacuée vers l'étape de déshydratation.
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séparation des boues biologiques, de l'effluent liquide, est effectuée par filtration sur membranes de microfiltration ou d'ultrafiltration (3), le seuil de coupure desdites membranes étant nettement inférieur au poids moléculaire des polyelectrolytes mis en œuvre lors de la déshydratation des boues.
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