WO2006030081A1 - Installation de traitement d’effluents, et procede de clarification et de filtration utilisant cette installation - Google Patents

Installation de traitement d’effluents, et procede de clarification et de filtration utilisant cette installation Download PDF

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Chrystelle Langlais
Véronique BONNELYE
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Degremont
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Definitions

  • the invention relates to an effluent treatment plant and a clarification and filtration process using this plant.
  • the invention relates to clarification treatment plants by coagulation / flocculation / decantation and membrane filtration of effluents, including water.
  • the filtration membranes make it possible to ensure the elimination of all the particles whose diameter is greater than the pore size of the membrane, and a part of the fraction dissolved when the size of the molecules is greater than the cut-off point of the membrane.
  • the colloidal and dissolved materials passing through the membrane during the filtration stage may, depending on the quality of the raw water, reach concentrations in the filtered water that do not comply with the quality limits set by the regulations for water intended for human consumption and by users with special quality requirements, particularly in industry.
  • membrane clarification methods must in many cases be combined with other treatments, including coagulation pretreatment methods.
  • One solution consists in providing, upstream of a membrane filtration installation, a coagulation / flocculation pre-clarification plant with gravitational separation (by decantation or flotation) of the great majority of coagulant and hydroxide precipitates.
  • gravitational separation by decantation or flotation
  • Such a coupling makes it possible to reduce the charge of particles arriving on the membrane, the coagulation and the adsorption carried out in the pretreatment plant eliminating colloidal materials and some of the dissolved materials.
  • the coupling is carried out by simple juxtaposition of two treatment plants, the gravity separator and the membrane reactor immersed or under pressure, which requires a considerable floor area.
  • the sizing of the filtration stream of the membrane reactor is based on a low concentration of suspended solids, related to the performance of the gravity separation plant located upstream, and is therefore sensitive to any degradation of the operation of the latter.
  • an increase in the concentration of suspended solids may, depending on the efficiency of the membrane unclogging system, generate a complete blockage of the filtration system.
  • the inadequacy (over-dosing or underdosing) of the coagulant treatment rate with respect to the pollution to be treated results in an increase in the clogging power of the interstitial water. This increase occurs in particular when using a flocculant adjuvant in the gravity separator to improve its performance, and can generate a deep clogging of the membrane due to the residual concentration of flocculation adjuvant.
  • An alternative is to carry out a direct coagulation on membranes in housing or immersed as described in document EP-I 239 943.
  • the coagulant reagent is then injected into the water to be treated, and the mixture water to be treated - coagulant is filtered directly on the membrane immersed in the reactor containing the water to be treated.
  • a small quantity of injected coagulant makes it possible to avoid a deep and irreversible clogging of the membranes.
  • the floor area of the installation is then reduced by a factor of 2 or 3 compared to the previous solution.
  • the extraction concentration of the sludge formed is generally identical to the concentration of sludge in the reactor.
  • the limit of operation of the membranes related to the maximum mass flow according to the relation:
  • Mass flow Concentration in MeS x JF, (JF: Filtration flow) the concentration of sludge in the reactor is limited by an economically acceptable membrane filtration flux.
  • the extraction of sludge is thus carried out with a high extraction rate of the order of 5 to 15% of the system feed rate, which generates high water losses, as well as an additional operating cost, on the one hand the membrane filtration plant in terms of reagent and energy consumption, and on the other hand the post-treatment plant needed to thicken the sludge.
  • a conversion rate is then obtained, the ratio of the flow of filtered water to the incoming raw water flow, of the order of 85 to 95%.
  • US Pat. No. 4,756,644 A which belongs to the
  • a sludge bed settling device comprising a settling tank, provided at its base with a device for distributing the liquid to be treated, this device being equipped with a liquid-fed feed system and a evacuation system of the treated liquid.
  • the liquid to be treated circulates from bottom to top in the reactor, through a lamellar settling system. It does not mention the use of a membrane filtration module system.
  • the invention aims to overcome the disadvantages of the prior art mentioned above by proposing an installation to improve membrane filtration capacity and reduce water loss, without increasing the floor area.
  • the Applicant has found that, immersed in such a decanter, the membranes are effectively covered with materials forming a filter cake. But, instead of degrading the filtration capacity of the membrane, the presence of the cake on the contrary ensures the protection of the membrane.
  • the filter cake formed is indeed porous and weakly compressed, effectively creating a given resistance to filtration, but protecting the membrane vis-à-vis the clogging power of the interstitial water, especially in the presence of high concentrations of colloidal materials or dissolved, partially or even uncoagulated. These materials are then adsorbed on the protective layer formed.
  • adsorbent reagents for example activated carbon
  • a similar phenomenon is also observed when adding a flocculation additive, which promotes flocculation and control of the cohesion coefficient k of the sludge bed, but an excess of which can cause clogging of the membranes. In the present case, the excess flocculant adjuvant is retained by the filter cake, thus protecting the membrane.
  • Flux mass f (concentration MeS, J F, FM, k), where k is the coefficient of cohesion of the sludge and characterizes the settling in bed of pulsed sludge, and FM represents the mass flow characteristic of the sludge piston settling.
  • Membrane filtration because of the presence of the filter cake, can then be carried out at higher fluxes without risk of significant clogging.
  • a first subject of the invention relates to an installation for the treatment of liquid effluents, in particular water, comprising a pulsed mud bed settler comprising: a settling tank provided at its base with an effluent distribution device to be treated arranged and arranged so as to cause a homogeneous feed over the entire surface of the tank, and provided with a system for extracting formed sludge,
  • an effluent supply system upstream of the distribution device, provided with a device for generating pulsations making it possible to vary the flow rate of effluents entering the tank,
  • this facility being characterized in that it comprises at least one membrane filtration module located above the effluent distribution device to be treated, so as to be immersed during operation of the installation, and in that the treated effluent extraction system is connected downstream to the filtration module (s).
  • Another subject of the invention relates to a clarification process by coagulation, flocculation and decantation, and membrane filtration of effluents loaded with suspended solids, and / or colloidal materials and / or dissolved solids, in particular raw water , in which the effluents to be treated are introduced continuously with a variable flow pulsed into the tank of a treatment plant according to the invention.
  • the use of a pulsed sludge bed clarifier makes it possible to implement a simple and effective distribution system: the periodic overspeeds caused by the pulsation system make it possible to distribute in a balanced way the effluent to be treated under all the filtration modules. No imbalance in the functioning of the various membranes is thus observed, unlike the direct coagulation membrane described above.
  • the pulsations or overspeeds applied to the effluent to be treated when it enters the settling tank create, at the membrane level of the modules, a variable tangential velocity over time.
  • This mode of pseudo-tangential filtration induced in the filtration modules limits the clogging of the membranes during filtration.
  • the pulsations generate fluctuations in the filtration flow, thus ensuring the formation of a heterogeneous filter cake which will be more easily removed by hydraulic unclogging.
  • FIG. 1 is a schematic sectional representation of an embodiment of the invention
  • the plant according to the invention comprises a decanter 1 comprising a settling tank 2 provided at its base with a device 3 for distributing the effluents and provided with a system for extracting the formed sludge 4.
  • An effluent supply system 5, upstream of the distribution device 3, is provided with a device for generating pulsations
  • the pulse generation device 6 makes it possible to carry out the pulsed introduction of the effluent into the tank 2.
  • This is for example a known system of vacuum bell in which a vacuum pump 8 and a valve 9 respectively allow to raise the level of the effluent in the bell and empty it suddenly, as described in the document FR-I 115 038.
  • membrane filtration modules 10 are located above the distribution device 3, and are arranged to be immersed during operation of the installation.
  • the membranes used in the modules may be chosen from membranes with planar, tubular, spiral or hollow-fiber configuration, with external or internal skin.
  • Each module 10 is connected downstream to an extraction system 11, formed for example of pipes, through which the treated effluents are discharged, for example by means of a pump 12.
  • the distribution device 3 is formed by a network of perforated conduits 13 extending over the entire surface of the tank, and baffles 14 located above and in the vicinity of the perforated pipes 13.
  • the periodic overspeeds caused by the pulsation system 6 make it possible to distribute the effluent to be treated in the network of conduits 13 positioned under the set of filtration modules 10. These pulsations create turbulences whose energy is dissipated by the deflectors 14. Part of this dissipated energy contributes to the realization of flocculation. The residual energy keeps the sludge bed homogeneous, in accordance with the cohesion parameter k.
  • the sludge extraction system 4 further comprises a sludge concentrator 15 of known type, preferably by decantation.
  • the installation is more particularly intended for clarification processes by coagulation / flocculation / settling.
  • a bed of sludge is formed between the network of perforated pipes 13 and deflectors 14, and the level of overflow in the sludge concentrator 15.
  • This zone forms a treatment zone in which coagulation / flocculation is carried out by contact with the sludge allowing optimal purification of the interstitial water and lowering its clogging power vis-à-vis the membranes.
  • Above the mud bed is a settling zone, containing less suspended particles.
  • the dotted line L in the figures symbolizes the boundary between these zones, this limit being of course less marked in reality.
  • Line S represents the interface between the settling zone and the air.
  • the modules 10 are located in the lower part of the tray 2, near the distribution system 3, so as to be in the treatment zone. They are therefore fully immersed in the sludge bed and are located above the distribution system 3.
  • FIG 2 Another variant is shown in Figure 2: the identical elements are designated by the same references with a premium (').
  • the settling tank additionally has a system of lamellar settling 16 'disposed in the lower part of the tray so as to be immersed in the treatment zone during operation. This is for example inclined plates arranged parallel to each other, as described in the document US 5 143 625.
  • the installation also comprises in addition a crossflow laminar type of concentration device 17 'at the entrance concentrator 15 '.
  • the membrane filtration modules 10 ' are located above this lamellar settling system 16' and therefore above the treatment zone, in the settling zone.
  • the modules may possibly be partly in the treatment zone and partly in the settling zone.
  • the effluent to be treated for example raw water
  • the pulse generation system 6, 6 ' enters the pulse generation system 6, 6 ', then is distributed over the entire bottom surface of the tank 2, 2' thanks to the distribution system 3, 3 '.
  • the raw water circulates upwards in the tank, passing through the lamellar settling device 16 'as appropriate, and enters the filtration modules 10, 10'.
  • the water leaving the modules filtered by the membranes is evacuated by the evacuation system 11, 11 'by means of the pump 12, 12'. Simultaneously, the sludge formed is extracted at the sludge concentrator 15, 15 '.
  • the latter 15, 15 'thus limits the height of the sludge bed and significantly reduces the water losses by increasing the concentration of sludge extracted by a factor of 2 to 20 relative to the concentration of the sludge bed.
  • the use at its inlet of the concentration system 17 ' makes it possible to further increase the concentration of extracted sludge: the "rolling" sludge on the lamellar device dehydrates, thus increasing its limit mass flow.
  • the flow direction of the effluent and sludge is symbolized by the arrows in the figures.
  • the management of sludge extractions is for example based on a periodic purge of a few seconds, typically from 15 to 90 seconds, every 15 to 90 minutes.
  • the frequency and the duration of the purges can be adapted to the volume of sludge present in the concentrator, or to its concentration, by slaving the extraction to the signal of a probe (not shown) present in the concentrator and measuring the level or concentration, and comparing these data to a set value.
  • the effluent is introduced into the plant at a high rate for very short periods of time between about 5 and 20 seconds, separated by relatively long time intervals of between about 30 and 180 seconds, during which the flow rate of effluent is low and substantially constant.
  • the high flow rate of effluent is chosen so as to obtain flow velocities in the tank of between approximately 2 and 30 m 3 per hour and per square meter of surface area of the tank, and preferably between 4 and 18 m 3 . m " 2 h" 1 .
  • inorganic coagulants are the chloride, sulfate, chlorosulfate derivatives of iron or aluminum, or other derivatives.
  • the adsorbent reagents used are, for example, activated carbon powder. Other examples of reagents are cited in the "Memento Technique de l'Eau", published by DEGRÉMONT in 1992, page 224).
  • Such hydraulic unclogging is for example performed typically every two or three days, and can be controlled according to pressure drop measurements or the flow in the modules, or any other appropriate parameter.
  • Clogging of the membranes can also be limited by sending a flow of gas, usually air, through the membranes during filtration or during unclogging.
  • Example An example of implementation of an installation according to the invention will now be described. This example refers to tests that have been carried out on relatively heavy river water, which could be treated by direct membrane filtration, ensuring sufficient removal of organic matter, and thus requiring pretreatment by coagulation.
  • the characteristics of the treated raw water are the following: - temperature between 12 and 15 ° C
  • the concentration of suspended solids entering the installation is approximately 25 mg / l.
  • the coagulant used in the tests is ferric chloride, at a treatment level of 30 mg / l, in pure product.
  • the concentration in the sludge bed is about 500 mg / l of suspended solids.
  • the coefficient k measured on the sludge is 0.8;
  • the FM is 5.
  • the average settling speed in the tank during the test is 4 m 3 per hour and per square meter of tank area, for a maximum speed during pulsations of 30 m 3 .m " 2 h -1 , allowing ensure the membranes function in pseudo-tangential filtration.
  • the pulsations make it possible to maintain, in this example, an average filtration flow of 60 ⁇ l / cm 2 at 20 ° C. with a variation of the flow of plus or minus 5 ⁇ / cm 2 (with a frequency of approximately one pulse every minute ).
  • the degree of conversion obtained is 99% for a concentration of 2.5 g / l of suspended solids at the extraction (concentration increased to 5 g / l with the use of a cross-flow laminar concentration system. concentrator inlet), ie a filtered net flow of 59 lh- 1 .m- 2 at 20 ° C.
  • the applied flux is 50 Lh -1 .m- 2 at 20 ° C with a conversion rate of 96%, ie a net filtration flow of 48 Lh " 1 . m- 2 at 20 ° C.
  • the plant according to the invention can operate with a gain of 30% in net flow compared to a direct coagulation on submerged membrane, and with a gain of 19% in net flow compared to the coupling of two separate coagulation plants. decantation on the one hand and membrane filtration on the other. In terms of floor area gain, the solution according to the invention makes it possible to divide by 3 the footprint of the installation, compared to the coupling of two separate installations.

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Abstract

L'invention concerne une installation de traitement d'effluents permettant d'améliorer la capacité de filtration de membranes et de réduire les pertes d'eau, sans augmentation de la surface au sol. A cet effet, l'installation comprend un décanteur (1) à lit de boues puisé dans lequel sont immergés, dans ou au-dessus du lit de boues, des modules (10) de filtration sur membrane, et le système d'extraction (11) des effluents traités est relié en aval aux modules de filtration (10) . L'invention concerne également un procédé de clarification par coagulation/floculation/décantation et de filtration utilisant l'installation selon l'invention.

Description

INSTALLATION DE TRAITEMENT D1EFFLUENTS, ET PROCEDE DE CLARIFICATION ET DE FILTRATION UTILISANT CETTE
INSTALLATION
L'invention concerne une installation de traitement d'effluents et un procédé de clarification et de filtration utilisant cette installation.
Plus particulièrement, l'invention concerne les installations de traitement de clarification par coagulation/ floculation/ décantation et de filtration sur membrane d'effluents, notamment de l'eau.
Les membranes de filtration (micro-, nano-, ultra- et hyperfiltration) permettent d'assurer l'élimination de l'ensemble des particules dont le diamètre est supérieur à la taille des pores de la membrane, et d'une partie de la fraction dissoute lorsque la taille des molécules est supérieure au seuil de coupure de la membrane.
Utilisée seule, la filtration sur membrane se voit exposée à un risque de colmatage important de par la teneur de l'eau brute d'alimentation en matières en suspension (MeS), en matières colloïdales et dissoutes : le flux de dimensionnement des installations de traitement sur membranes est limité par le pouvoir colmatant de l'eau et l'exploitation des installations ainsi conçues est sujette à des difficultés et à un manque de fiabilité liés aux fluctuations de la qualité de l'eau à filtrer.
D'autre part, les matières colloïdales et dissoutes passant à travers la membrane lors de l'étape de filtration peuvent, suivant la qualité de l'eau brute, atteindre des concentrations dans l'eau filtrée non conformes aux limites de qualité fixées par la réglementation en matière d'eau destinée à la consommation humaine et par les utilisateurs ayant des exigences particulières de qualité, notamment dans l'industrie.
C'est la raison pour laquelle les procédés de clarification sur membrane doivent être, dans de nombreux cas, associés à d'autres traitements, notamment des procédés de prétraitement par coagulation.
Une solution consiste à prévoir en amont d'une installation de filtration sur membrane, une installation de pré-clarification par coagulation /floculation avec séparation gravitaire (par décantation ou flottation) de la grande majorité des précipités de coagulant et d'hydroxyde. Un tel couplage permet de diminuer la charge en particules arrivant sur la membrane, la coagulation et l'adsorption réalisée dans l'installation de prétraitrement éliminant les matières colloïdales et une partie des matières dissoutes.
Dans ce cas, le couplage est réalisé par simple juxtaposition de deux installations de traitement, le séparateur gravitaire et le réacteur membranaire immergé ou sous pression, ce qui nécessite une surface au sol considérable.
De plus, le dimensionnement du flux de filtration du réacteur membranaire est basé sur une concentration de matières en suspension faible, liée aux performances de l'installation de séparation gravitaire situé en amont, et est donc sensible à toute dégradation du fonctionnement de ce dernier. Notamment, une augmentation de la concentration en matières en suspension peut, suivant l'efficacité du système de décolmatage des membranes, générer un blocage complet du système de filtration. De même, l'inadéquation (sur-dosage ou sous- dosage) du taux de traitement en coagulant par rapport à la pollution à traiter résulte en une augmentation du pouvoir colmatant de l'eau interstitielle. Cette augmentation intervient en particulier lors de l'emploi d'un adjuvant de floculation dans le séparateur gravitaire pour en améliorer les performances, et peut générer un colmatage profond de la membrane dû à la concentration résiduelle d'adjuvant de floculation.
L'ensemble de ces dysfonctionnements rend le procédé de coagulation - séparation gravitaire - filtration sur membrane difficile à exploiter et d'un fonctionnement aléatoire et peu fiable, générant des surcoûts d'exploitation, induits par une sur-consommation de réactifs de lavage chimique des membranes et d'énergie, ainsi qu'un accroissement du temps d'indisponibilité des installations de production.
Une variante consiste à réaliser une coagulation directe sur des membranes en carter ou immergées tel que décrit dans le document EP- I 239 943. Le réactif coagulant est alors injecté dans l'eau à traiter, et le mélange eau à traiter - coagulant est filtré directement sur la membrane immergée dans le réacteur contenant l'eau à traiter. Dans ce cas, une faible quantité de coagulant injectée permet d'éviter un colmatage profond et irréversible des membranes. La surface au sol de l'installation est alors réduite d'un facteur 2 ou 3 par rapport à la solution précédente. Toutefois, on observe une hétérogénéité de la concentration en matières en suspension dans le réacteur, ce qui génère un déséquilibre du fonctionnement des modules de filtration membranaire immergés pouvant induire à long terme un colmatage excessif et une augmentation des opérations de décolmatage. De plus, la concentration d'extraction des boues formées est généralement identique à la concentration de boues dans le réacteur. Or, en raison de la limite de fonctionnement des membranes, liée au flux massique maximum suivant la relation :
( 1) Flux massique = Concentration en MeS x JF, (JF : Flux de filtration) la concentration de boues dans le réacteur est limitée par un flux de filtration des membranes acceptable économiquement. L'extraction des boues est ainsi réalisée avec un débit élevé d'extraction de l'ordre de 5 à 15 % du débit d'alimentation du système, ce qui génère des pertes en eau élevées, ainsi qu'un surcoût d'exploitation, d'une part de l'installation de filtration sur membrane en terme de consommation de réactifs et d'énergie, et d'autre part de l'installation de post traitement nécessaire pour épaissir les boues. On obtient alors un taux de conversion, rapport du débit d'eau filtrée au débit d'eau brute entrant, de l'ordre de 85 à 95 %. On connaît, par ailleurs, par US 4 756 644 A, qui appartient à la
Demanderesse, un dispositif de décantation à lit de boues, comprenant un bac de décantation, muni à sa base d'un dispositif de répartition du liquide à traiter, ce dispositif étant équipé d'un système d'alimentation puisée en liquide et d'un système d'évacuation du liquide traité. Le liquide à traiter circule de bas en haut dans le réacteur, à travers un système de décantation lamellaire. On n'y mentionne pas l'utilisation d'un système de modules de filtration sur membrane.
L'invention vise à pallier des inconvénients de la technique antérieure rappelés ci-dessus en proposant une installation permettant d'améliorer la capacité de filtration sur membrane et de réduire les pertes d'eau, sans augmentation de la surface au sol.
La Demanderesse a constaté, en effet, de façon surprenante pour l'homme de l'art que cette capacité de filtration est améliorée lorsque les membranes sont placées directement dans un décanteur par coagulation/floculation/décantation à lit de boues puisé. Dans un tel décanteur, décrit par exemple dans les documents FR-I 115 038 et FR-2 132 954, l'effluent à traiter circule de bas en haut au travers d'un lit de boues formé de matières coagulées et floculées en suspension, le lit favorisant l'amorçage de la coagulation, agglomérant et retenant les précipités formés et les matières en suspension contenues dans l'effluent à traiter. En raison des nombreuses matières en suspension dans le décanteur, la filtration sur membrane est généralement réalisée en aval, dans une installation séparée afin d'éviter tout risque de colmatage des membranes, tel que décrit plus haut.
La Demanderesse a constaté que, immergées dans un tel décanteur, les membranes se recouvrent effectivement de matières formant un gâteau de filtration. Mais, au lieu de dégrader la capacité de filtration de la membrane, la présence du gâteau assure au contraire la protection de la membrane. Le gâteau de filtration formé est en effet poreux et faiblement comprimé, créant effectivement une résistance à la filtration donnée, mais protégeant la membrane vis-à-vis du pouvoir colmatant de l'eau interstitielle, notamment en présence de concentrations élevées de matières colloïdales ou dissoutes, partiellement, voire non coagulées. Ces matières sont alors adsorbées sur la couche protectrice formée. La Demanderesse a également constaté que cette adsorption peut en outre être améliorée par l'ajout de réactifs adsorbant, par exemple le charbon actif, permettant d'augmenter le pouvoir adsorbant du gâteau de filtration. Un phénomène similaire est également observé lors de l'ajout d'un adjuvant de floculation, qui favorise la floculation et le contrôle du coefficient de cohésion k du lit de boues, mais dont un excès peut provoquer le colmatage des membranes. Dans le cas présent, l'adjuvant de floculation en excès est retenu par le gâteau de filtration, protégeant ainsi la membrane.
Ainsi, de manière inattendue, les caractéristiques spécifiques de la boue floculée, en lit de boues puisé, permettent d'améliorer les performances des membranes immergées. On observe alors que le flux limite de filtration JF des membranes ne suit plus la théorie classique du flux massique (formule (I)), mais dépend également du caractère cohésif des boues floculées dans le décanteur :
(2) Flux massique = f( Concentration en MeS, JF, FM, k), où k est le coefficient de cohésion de la boue et caractérise la décantation en lit de boue puisé, et FM représente le flux massique caractéristique de la décantation piston des boues.
La filtration sur membrane, du fait de la présence du gâteau de filtration, peut alors être réalisée à des flux plus élevés sans risque de colmatage important.
Un premier objet de l'invention concerne une installation de traitement d'effluents liquides, notamment de l'eau, comprenant un décanteur à lit de boue puisé comportant : - un bac de décantation muni à sa base d'un dispositif de répartition des effluents à traiter agencé et disposé de manière à provoquer une alimentation homogène sur toute la surface du bac, et pourvu d'un système d'extraction des boues formées,
- un système d'alimentation en effluents, en amont du dispositif de répartition, pourvu d'un dispositif de génération de pulsations permettant de faire varier le débit d'effluents entrant dans le bac,
- au moins un module de filtration sur membrane situé au dessus du dispositif de répartition, de manière à être immergé lors du fonctionnement de l'installation, et - un système d'extraction des effluents traités par le(s) module(s) de filtration relié en aval à ce(s) dernier(s), cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un module de filtration sur membrane situé au-dessus du dispositif de répartition des effluents à traiter, de manière à être immergé lors du fonctionnement de l'installation, et en ce que le système d'extraction des effluents traités est relié en aval au(x) module(s) de filtration.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé de clarification par coagulation, floculation et décantation, et de filtration sur membrane d'effluents chargés en matières en suspension, et/ ou matières colloïdales et/ou matières dissoutes, notamment de l'eau brute, dans lequel on introduit les effluents à traiter en continu avec un débit variable puisé dans le bac d'une installation de traitement selon l'invention. L'emploi d'un décanteur à lit de boues puisé permet de mettre en œuvre un système de répartition simple et efficace : les survitesses périodiques provoquées par le système de pulsation permettent de répartir de manière équilibrée l'effluent à traiter sous l'ensemble des modules de filtration. Aucun déséquilibre de fonctionnement des diverses membranes n'est ainsi observé, contrairement à la coagulation directe sur membrane décrite plus haut. De plus, les pulsations ou survitesses appliquées à l'effluent à traiter lors de son entrée dans le bac de décantation créent, au niveau des membranes des modules, une vitesse tangentielle variable au cours du temps. Ce mode de filtration pseudo tangentiel induit dans les modules de filtration limite le colmatage des membranes lors de la filtration. De plus, lors de la filtration, les pulsations génèrent des fluctuations du flux de filtration, assurant ainsi la formation d'un gâteau de filtration hétérogène qui sera plus facilement éliminé par décolmatage hydraulique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une représentation similaire d'une variante de réalisation. L'installation selon l'invention comprend un décanteur 1 comportant un bac de décantation 2 muni à sa base d'un dispositif de répartition 3 des effluents et pourvu d'un système d'extraction des boues formées 4.
Un système d'alimentation 5 en effluents, en amont du dispositif de répartition 3, est pourvu d'un dispositif de génération de pulsations
6 alimenté en effluent à traiter par une conduite 7. Ce dispositif de génération de pulsation 6 permet de réaliser l'introduction puisée de l'effluent dans le bac 2. Il s'agit par exemple d'un système connu de cloche à vide dans lequel une pompe à vide 8 et une vanne 9 permettent respectivement de faire monter le niveau de l'effluent dans la cloche et de la vider brusquement, tel que décrit dans le document FR- I 115 038.
Plusieurs modules 10 de filtration sur membrane sont situés au dessus du dispositif de répartition 3, et sont disposés de manière à être immergés lors du fonctionnement de l'installation. Les membranes utilisées dans les modules peuvent être choisies parmi les membranes à configuration plane, tubulaire, spiralée ou à fibre creuse, à peau externe ou interne. l'
Chaque module 10 est relié en aval à un système d'extraction 11, formé par exemple de conduites, par lesquelles les effluents traités sont évacués, par exemple au moyen d'une pompe 12.
Le dispositif de répartition 3 est formé par un réseau de conduites perforées 13 s' étendant sur toute la surface du bac, et de déflecteurs 14 situés au dessus et à proximité des conduites perforées 13.
Les survitesses périodiques provoquées par le système de pulsation 6 permettent de répartir l'effluent à traiter dans le réseau de conduites 13 positionnées sous l'ensemble des modules 10 de filtration. Ces pulsations créent des turbulences dont l'énergie est dissipée par les déflecteurs 14. Une partie de cette énergie dissipée contribue à la réalisation de la floculation. L'énergie résiduelle permet de maintenir le lit de boues homogène, conformément au paramètre de cohésion k.
Le système d'extraction des boues 4 comprend en outre un concentrateur de boues 15 de type connu, de préférence par décantation.
L'installation est plus particulièrement destinée aux procédés de clarification par coagulation/floculation/décantation. Lors de son fonctionnement, un lit de boues se forme entre le réseau de conduites perforées 13 et de déflecteurs 14, et le niveau de débordement dans le concentrateur de boue 15. Cette zone forme une zone de traitement dans laquelle est réalisée une coagulation /floculation par contact avec les boues permettant une épuration optimale de l'eau interstitielle et abaissant son pouvoir colmatant vis-à-vis des membranes. Au dessus du lit de boue se situe une zone de décantation, contenant moins de particules en suspension. La ligne pointillée L sur les figures symbolise la limite entre ces zones, cette limite étant bien entendu moins marquée en réalité. La ligne S représente l'interface entre la zone de décantation et l'air. Dans la variante représentée sur la figure 1 , les modules 10 sont situés dans la partie inférieure du bac 2, à proximité du système de répartition 3, de manière à être dans la zone de traitement. Ils sont donc entièrement immergés dans le lit de boues et sont situés au dessus du système de répartition 3. Une autre variante est représentée sur la figure 2 : les éléments identiques sont désignés par les mêmes références avec un prime ('). Dans cette variante, le décanteur présente en plus un système de décantation lamellaire 16' disposé dans la partie inférieure du bac de manière à être immergé dans la zone de traitement lors du fonctionnement. Il s'agit par exemple de plaques inclinées disposées parallèlement les unes aux autres, tel que décrit dans le document US 5 143 625. L'installation comprend également en plus un dispositif de concentration du type lamellaire à flux croisé 17' à l'entrée du concentrateur 15'.
Dans cette variante, les modules 10' de filtration sur membrane sont situés au dessus de ce système de décantation lamellaire 16' et donc au dessus de la zone de traitement, dans la zone de décantation.
En fonction de l'encombrement du système de décantation 16', les modules peuvent éventuellement être en partie dans la zone de traitement et en partie dans la zone de décantation.
Lors du fonctionnement de l'installation, l'effluent à traiter, par exemple de l'eau brute, pénètre dans le système de génération de pulsations 6, 6', puis est répartie sur toute la surface du fond du bac 2, 2' grâce au système de répartition 3, 3'. Ensuite, l'eau brute circule de bas en haut dans le bac, en traversant le cas échéant le dispositif de décantation lamellaire 16', et pénètre dans les modules de filtration 10, 10'. L'eau sortant des modules filtrée par les membranes est évacuée par le système d'évacuation 11, 11' au moyen de la pompe 12, 12'. Simultanément, la boue formée est extraite au niveau du concentrateur de boues 15, 15'. Ce dernier 15, 15' limite ainsi la hauteur du lit de boues et permet de réduire de façon significative les pertes en eau en augmentant la concentration des boues extraites d'un facteur de 2 à 20 par rapport à la concentration du lit de boues. L'utilisation à son entrée du système de concentration 17' permet d'augmenter davantage la concentration des boues extraites : la boue "roulant" sur le dispositif lamellaire se déshydrate, augmentant ainsi son flux massique limite. Le sens de circulation de l'effluent et des boues est symbolisé par les flèches sur les figures.
La gestion des extractions de boues est par exemple basée sur une purge périodique de quelques secondes, typiquement de 15 à 90 secondes, toutes les 15 à 90 minutes. La fréquence et la durée des purges peuvent être adaptées au volume de boues présent dans le concentrateur, ou à sa concentration, par asservissement de l'extraction au signal d'une sonde (non représentée) présente dans le concentrateur et mesurant le niveau ou la concentration, et comparant ces données à une valeur de consigne.
Bien entendu, le dispositif de concentration lamellaire à flux croisé 17' peut également être prévu dans l'installation représentée sur la figure 1.
De préférence, l'effluent est introduit dans l'installation à un débit élevé pendant des périodes très brèves comprises entre 5 et 20 secondes environ, séparées par des intervalles de temps relativement longs compris entre 30 et 180 secondes environ, pendant lesquels le débit d'effluent est faible et sensiblement constant.
Avantageusement, le débit élevé d'effluent est choisi de manière à obtenir des vitesses d'écoulement dans le bac comprises entre environ 2 et 30 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac, et de préférence compris entre 4 et 18 m3. m"2. h"1. Avantageusement, on peut ajouter à l'effluent lors de son introduction dans l'installation (par exemple au moyen d'une vanne non représentée), des coagulants minéraux et/ou organiques, et/ou des agents de floculation, et/ ou des réactifs adsorbants. Des exemples de coagulants minéraux sont les dérivés chlorure, sulfate, chloro-sulfate du fer ou de l'aluminium, ou d'autres dérivés. Les réactifs adsorbants utilisés sont par exemple le charbon actif en poudre. D'autres exemples de réactifs sont cités dans le "Mémento Technique de l'Eau", édité par DEGRÉMONT en 1992, page 224).
Il est également préférable de réaliser périodiquement une inversion momentanée du sens de perméation des modules de filtration sur membrane afin d'effectuer un décolmatage des membranes. Un tel décolmatage hydraulique est par exemple effectué typiquement tous les deux ou trois jours, et peut être commandé en fonction de mesures de pertes de charge ou du flux dans les modules, ou de tout autre paramètre approprié. Le colmatage des membranes peut également être limité en envoyant un flux de gaz, généralement de l'air, au travers des membranes durant la filtration ou durant le décolmatage.
Exemple On décrira maintenant un exemple de mise en œuvre d'une installation selon l'invention. Cet exemple se réfère à des essais qui ont été réalisés sur une eau de rivière relativement chargée, laquelle ne pouvait être traitée par filtration directe sur membrane en assurant une élimination suffisante en matière organique, et qui nécessitait donc un prétraitement par coagulation.
Les caractéristiques de l'eau brute traitée sont les suivantes : - température comprise entre 12 et 15°C
- turbidité : 5 à 15 NTU
- carbone organique total : 5 à 7 mg/1
- carbone organique dissous : 4,5 à 6 mg/1
La concentration des matières en suspension en entrée de l'installation est d'environ 25 mg/1.
On a utilisé pour cet essai une installation de 5 m3/h du type illustré par la figure 1, équipée de modules de membrane d'ultra- filtration immergés et comportant également une injection de coagulant avec un mélangeur en ligne (non représenté) au niveau du système d'alimentation 5.
Le coagulant utilisé lors des essais est du chlorure ferrique, à un taux de traitement de 30 mg/1, en produit pur.
La concentration dans le lit de boues est d'environ 500 mg/1 de matières en suspension. Le coefficient k mesuré sur la boue est de 0,8 ; Le FM est de 5.
La vitesse de décantation moyenne dans le bac durant l'essai est de 4 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac, pour une vitesse maximale durant les pulsations de 30 m3.m"2h-1, permettant d'assurer un fonctionnement des membranes en filtration pseudo- tangentielle.
Les pulsations permettent de maintenir, dans cet exemple, un flux de filtration moyen de 60 LlrLnr2 à 2O0C avec une variation du flux de plus ou moins 5 l.h^.nr2 (avec une fréquence d'environ une pulsation toutes les minutes). Le taux de conversion obtenu est de 99 % pour une concentration de 2,5 g/1 de matières en suspension à l'extraction (concentration portée à 5 g/1 avec l'emploi d'un système de concentration lamellaire à flux croisé en entrée du concentrateur), soit un flux net filtré de 59 l.h-1.m-2 à 20° C. A titre de comparaison permettant de démontrer l'intérêt de ce procédé, les résultats obtenus lors de la coagulation directe sur membrane immergée de cette eau brute permettent d'aboutir à un flux maximum de 45 l.h^.m-2 à 200C pour un taux de conversion de 91 %, soit un flux net de filtration de 41 Lh"1. nr2 à 20° C.
Dans une installation couplant un décanteur à lit de boues puisé
(donc avec une épuration de l'eau interstitielle similaire à celle obtenue sur l'appareil combiné) en amont d'une installation de filtration sur membrane, le flux appliqué est de 50 Lh"1. m-'2 à 20° C avec un taux de conversion de 96 %, soit un flux net de filtration de 48 Lh"1. m-2 à 20° C.
Ainsi, l'installation selon l'invention peut fonctionner avec un gain de 30% en flux net par rapport à une coagulation directe sur membrane immergée, et avec un gain de 19 % en flux net par rapport au couplage de deux installations séparées de coagulation/ décantation d'une part et de filtration sur membrane d'autre part. En terme de gain de surface au sol, la solution selon l'invention permet de diviser par 3 l'emprise au sol de l'installation, par rapport au couplage de deux installations séparées.

Claims

l'REVENDICATIONS
1. Installation de traitement d'effluents liquides, notamment de l'eau, cette installation comprenant un décanteur (1, ) à lit de boues puisé comportant : - un bac de décantation (2, 2') muni à sa base d'un dispositif de répartition (3, 3') des effiuents à traiter agencé et disposé de manière à provoquer une alimentation homogène sur toute la surface du bac, et pourvu d'un système d'extraction (4, 4') des boues formées,
- un système d'alimentation (5, 5') en effiuents, en amont du dispositif de répartition, pourvu d'un dispositif de génération de pulsations (6, 6') permettant de faire varier le débit d'effluents entrant dans le bac,
- et un système d'extraction des effiuents traités, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un module ( 10, 10') de filtration sur membrane situé au-dessus du dispositif de répartition des effiuents à traiter, de manière à être immergé lors du fonctionnement de l'installation, et en ce que le système d'extraction ( 11, 11') des effiuents traités est relié en aval au(x) module(s) de filtration (10, 10').
2. Installation de traitement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le(s) module(s) (10, 10') de filtration sur membrane est (sont) situé(s) dans la partie inférieure du bac, à proximité du dispositif de répartition, de manière à être immergé(s) dans la zone de traitement formée par le lit de boues lors du fonctionnement.
3. Installation de traitement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend entre le dispositif de répartition (3') et le(s) module(s) (10') de filtration sur membrane, un système de décantation lamellaire (16') disposé dans la partie inférieure du bac de manière à être immergé dans la zone de traitement lors du fonctionnement. 4. Installation de traitement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le système d'extraction (4,
4') de boues est pourvu d'un concentrateur de boue (15, 15') dont l'entrée est couplée, ou non, à un système de concentration (17') lamellaire à courant croisé.
5. Installation de traitement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le dispositif de répartition (3, 3') des effiuents dans le bac est formé d'une série de conduites perforées ( 13, 13') s'étendant sensiblement sur tout le fond du bac, et de déflecteurs (14, 14') situés au dessus et à proximité des conduites perforées.
6. Procédé de clarification par coagulation, floculation et décantation, et de filtration sur membrane d'effluents chargés en matières en suspension, et/ ou matières colloïdales et/ ou matières dissoutes, notamment de l'eau brute, caractérisé en ce qu'on introduit les effluents à traiter en continu avec un débit variable puisé dans le bac (2, 2') d'une installation de traitement selon l'une des revendications précédentes.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on introduit les effluents à un débit élevé pendant des périodes très brèves comprises entre 5 et 20 secondes environ, séparées par des intervalles de temps relativement longs compris entre 30 et 180 secondes environ, pendant lesquels le débit d'effluents est faible et sensiblement constant.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le débit élevé d'effluents est choisi de manière à obtenir des vitesses d'écoulement dans le bac comprises entre environ 2 et 30 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le débit est choisi de manière à obtenir des vitesses d'écoulement dans le bac comprises entre environ 4 et 18 m3 par heure et par mètre carré de surface du bac.
10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'on inverse périodiquement et momentanément le sens de perméation des modules de filtration sur membrane afin d'effectuer un décolmatage.
11. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'on ajoute aux effluents lors de son introduction dans l'installation des coagulants minéraux et/ ou organiques, et/ ou des agents de floculation, et/ou des réactifs adsorbants.
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