WO2010052436A1 - Dispositif et procede de traitement des eaux impliquant une filtration a travers au moins une membrane immergee - Google Patents

Dispositif et procede de traitement des eaux impliquant une filtration a travers au moins une membrane immergee Download PDF

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WO2010052436A1
WO2010052436A1 PCT/FR2009/052143 FR2009052143W WO2010052436A1 WO 2010052436 A1 WO2010052436 A1 WO 2010052436A1 FR 2009052143 W FR2009052143 W FR 2009052143W WO 2010052436 A1 WO2010052436 A1 WO 2010052436A1
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membrane
particles
activated sludge
volume
treatment
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PCT/FR2009/052143
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Thomas Thouvenot
Patricia Grelier
Line Fournier
Emmanuel Trouve
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Otv Sa
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    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to a water treatment method and an associated device.
  • Activated sludge eliminates carbon, nitrogen and phosphorus pollution.
  • the membrane flat or organic hollow fiber
  • the liquids before filtration may have a concentration of the order of 10 g / l of suspended matter.
  • the membranes ensure the separation between activated sludge and purified water.
  • the effluents after treatment are sucked or evacuated by gravity.
  • the clogging can in part be controlled by applying to the device backwashing phases, where the water circulates against the current.
  • a specific aeration device is also used to reduce the clogging, in stationary mode. Such an aeration device is highly energy consuming, which is a major drawback.
  • Document JP 63-214177 discloses a water treatment system operating with a membrane bio-reactor, the membranes being integrated into the activated sludge tank, into which particles of less or equal hardness are introduced. to that of the separation membrane.
  • the particles have a density greater than 1, and are between 1 and 2 mm in diameter.
  • the volume occupied by the particles is 10 to 50% of the volume of the membrane tank.
  • the particles are resin, gel or polyvinyl alcohol gum, or in some cases ceramic or granular activated carbon. They are displaced or suspended by a flow of liquid and gas in the membrane tank, with a speed of 1 to a few meters. s "1. In one case, the particles are suspended in a fluidized bed.
  • a solution is therefore sought to reduce the energy consumption of existing devices, and more specifically to reduce clogging in operation without having to provide an air supply to the membranes.
  • the solution must also preserve the life of the membranes, avoiding any inadvertent damage.
  • the present invention proposes a method of treating a water to be treated involving filtration through at least one membrane coupled to an activated sludge reactor, characterized in that added particles are present in at least one volume of activated sludge in contact with the membrane and in that variations of a flow rate generated in said volume of activated sludge parallel to the membrane are applied thanks to which it is created in the immediate vicinity of the membrane a medium turbulent intensity level higher than that corresponding to a constant flow. It is specified that added particles are understood to mean particles which are not present initially in the water to be treated.
  • the flow variations are applied so as to create an alternation of turbulent intensity levels, or a mean turbulent intensity level higher than that corresponding to a constant flow rate.
  • the variations of a flow rate comprise the alternation of at least a first so-called “low flow” rate phase and a "high speed” second flow rate phase.
  • the rate variations include an alternation of at least a first and a second phase, the first phase rate corresponding to an average tangential velocity of between 0.01 and 0.1 ms -1 applied for a period of time between 0 and 600 s, preferably between 10 and 45 s.
  • the flow corresponds to an average tangential velocity of between 0.1 and 0.35 ms -1. applied for a period of between 0 and 3600 s, preferably between 25 and 600 s.
  • the duration of the first phase be between 0.75 and 1.25 times the duration of the second phase.
  • the ratio between the high bit rate and the low bit rate is between 1.5 and 12, and preferably between 2 and 3.5.
  • the particles are set in motion in a fluidized bed. This advantageously saves energy compared to a device using an aeration system.
  • the membrane is confined so as to channel the overall movement of said volume of activated sludge. This advantageously makes it possible to minimize the energy required for generating the flow rate.
  • the flow variations are generated by regulating a recirculation flow control device.
  • certain particles have a density between 1 and 10, preferably between 1.5 and 3, and some particles have a form factor of between 1 and 20, preferably between 1 and 7. It is particularly preferred that certain particles essentially comprise an organic, inorganic or composite material, and in a very particularly advantageous embodiment, the particles are glass beads.
  • the glass beads used with tangential speeds as presented above, have the advantage of maintaining the integrity of the surface of the membranes.
  • At least some particles have a diameter of between 0.05 and 0.6 times the diameter of a liquid vein. It is specified that the notion of liquid vein diameter here means the smallest distance between two walls of the liquid vein.
  • the volume filling rate of the membrane vessel by the particles is between 0.5 and 50%, and preferably between 20 and 40%.
  • at least one membrane is a plane membrane.
  • at least one membrane is a hollow fiber membrane.
  • At least one membrane is placed vertically or substantially vertically.
  • At least one membrane is in a compartment integrated in the biological reactor.
  • at least one membrane is in a specific compartment out of the biological reactor.
  • a method of treating a water to be treated involving filtration through at least one membrane coupled to an activated sludge reactor and whose permeability is maintained over time, characterized in that added particles are present in at least one volume of activated sludge in contact with the membrane and in that variations of a flow rate generated in said volume of activated sludge parallel to the membrane are applied to the particles.
  • a device for treating a water to be treated comprising at least one filtration membrane coupled to an activated sludge reactor and whose permeability is maintained over time, characterized in that it comprises means for applying to added particles present in at least one volume of activated sludge in contact with the membrane of variations of a flow rate generated in said volume of activated sludge parallel to the membrane.
  • the variations of a flow rate are applied so as to create in the immediate vicinity of the membrane a mean turbulent intensity level higher than that corresponding to a constant flow rate.
  • a treatment device for a water to be treated comprising at least one filtration membrane coupled to a reactor to be treated.
  • activated sludge characterized in that it comprises means of application to added particles present in at least one volume of activated sludge in contact with the membrane of variations of a flow rate generated in said volume of activated sludge parallel to the membrane , whereby the variations of a flow rate are applied so as to create in the immediate vicinity of the membrane a mean turbulent intensity level higher than that corresponding to a constant flow rate.
  • Figure 1 is a diagram of a first embodiment of a device according to the invention.
  • Figure 2 is a detail view of the device of the previous figure, a first phase of operation.
  • Figure 3 is a view similar to that of Figure 2 of the same device, during a second phase of operation.
  • Figure 4 is a set of permeability curves measured experimentally under different conditions with the device of the first embodiment.
  • Figure 5 is also a set of permeability curves measured experimentally under different conditions with the device of the first embodiment, on a longer time scale.
  • Figure 6 is a diagram of a second embodiment of a device according to the invention.
  • Figure 7 is a diagram of a third embodiment of a device according to the invention.
  • a biological reactor 5 is coupled to a system of two membranes 6 in a manner known per se, the membranes being confined in a tank called membrane tank 11.
  • the number of membranes depends on the implementation of the invention. Typically, 5 membranes can be used.
  • the raw water to be treated is introduced into the biological reactor
  • the biological reactor also has a ventilation system 4 at the bottom and an escape route for excess biological sludge 3, also at the bottom. It is specified that, alternatively, the reactor 5 could comprise several compartments, some being ventilated and others not.
  • the membranes 6 are here flat and vertical membranes of width 0.515 m and height 1.47 m.
  • the filtration area of each of the two membranes is 1.37 m 2 .
  • the distance between two membranes is 7 mm.
  • a pump 12 controlled by a controller 8 and a particle introduction path 10 are installed on the access path 13 of the biological reactor 5 to the membrane vessel 11.
  • This access path 13 connects the lower part of the biological reactor 5. at the lower part of the membrane tank 11.
  • the pump 12 operates with a flow rate of 6 m 3 / h during a first phase, then 12 m 3 / h during a second phase, the controller 8 ensuring the alternation of the two phases .
  • the pumped sludge is mixed with particles 7 in the membrane tank 11, the particles 7 being present in a proportion of between 3 and 30% of the useful volume of the membrane tank, depending on the implementations.
  • the particles 7 are here glass balls of form factor 1,
  • a collector 9 is installed on the recirculation channel 14 of the membrane tank 7 to the biological reactor 5, which connects the upper part of the membrane tank 7 to the upper part of the biological reactor 5.
  • the collector 9 serves as a separation system for the particles and biological sludge.
  • this collector 9 is installed on the upper part of the membrane tank, at the entrance of the recirculation channel.
  • the membrane tank 11 has a confinement favorable to the unclogging of the membranes 6. It includes a complete confinement of the liquid vein delimited by the membrane with a minimization of the dead volume.
  • the effective volume of the membrane tank is 200 L.
  • FIG. 2 presented a front view of a membrane 6 in the membrane tank 11.
  • the gateway 13 of the bioreactor 5 to the membrane tank 11 injects an activated sludge taken from flow Q m ⁇ n the biological reactor 5, from the bottom of the membrane tank 11 upwards.
  • the particles 7 are confronted with a flow of liquid and mud from bottom to top and follow various movements in the liquid, near and in contact with the membrane 6.
  • FIG. 2 shows an equilibrium configuration, where the set formed by all the particles is generally stable, some particles having an upward movement, others downward.
  • the upper part of the membrane tank 11 opens on a collector 9, which is in this embodiment, a zone of tranquilization caused by a sudden enlargement of the tank.
  • the excess liquid flows via the collector 9 and joins the recirculation channel 14 shown in FIG.
  • FIG. 3 there is shown a same front view of the membrane vessel.
  • the injected flow rate is this time greater than Q m ⁇ n, and reaches a value Q ma ⁇ , which in the embodiment shown is equal to twice the value of CWi
  • the particles 7 are present in all the height of the tank membrane, because of the flow rate which is sufficient to bring one or more particles to the top of the tank.
  • the flow rate Q max applied in the configuration of FIG. 3 is nevertheless sufficiently small so that the particles are approximately uniformly distributed over the entire height of the membrane tank, the gravity being sufficient to lower some down the tank. .
  • FIG. 4 there is shown the evolution of permeability measurements of the membrane system as a function of time over a period of 4 hours from the start of operation of the system, in three different operating modes.
  • the measurements are carried out at 20 ° C., and the permeability values are relative to the m 2 of membrane.
  • the device of FIG. 1 is equipped with five membranes of width 0.515 m confined laterally, the membrane tank 7 having a total liquid vein of
  • the device of FIG. 1 operates without particles and without aeration at the level of the membranes. It is found that the permeability, initially close to 2000 L / hm 2 .bar decreases rapidly to reach a value of about 100 L / hm 2 .bar after one hour of operation. The permeability then remains close to this latter value, referred to as the near-frontal level of filtration.
  • reference numeral 2 the evolution observed with aeration according to the prior art was shown, with a flow rate of 0.6 Nm 3 of air (Normo cubic meter of air) per m 2 of membrane, according to the prior art. The permeability starts at a value close to 1000 L / hm 2 .bar and then evolves around the value of 800 L / hm 2 .bar, about 7 times higher than the level of near-frontal filtration.
  • FIG. 5 shows the evolution of the permeability of the membrane over longer periods of up to 70 hours. Two implementation regimes are represented.
  • reference numeral 1 there is shown a test with a filling rate of the particles of 3% of the volume of the membrane tank and a flow rate of 6m 3 / h during a phase of 30 s, followed by a flow rate of 12 m 3 / h during a phase of
  • the permeability decreases to a value of 600 L / hm 2 .bar, or about 6 times the value of quasi-frontal permeability.
  • the turbulent intensity at the membrane is 17%.
  • reference numeral 2 there is shown a test with a filling rate of the membrane tank by glass beads at 30% of the volume, and an alternation of a phase of 30 seconds of flow at 6 m 3 / h corresponding at a tangential velocity of 0.08 m. s "1 with a phase of 30 seconds flow at 12 m 3 / h corresponding to a tangential velocity of 0.15 m. s " 1 .
  • the permeability is maintained at a value of 1100 L / hm 2 .bar, evening 11 times more than the value of quasi-frontal permeability.
  • the turbulent intensity of the membrane, averaged over a dozen cycles, is 42%.
  • a biological reactor 50 is coupled to a system of two membranes 60 in a manner known per se, the membranes being confined in a tank called membrane tank 110.
  • the raw water to be treated is introduced into the biological reactor 50 via an upstream inlet 10 in the upper part of the tank 50.
  • the treated water leaves the filtration tank via a downstream outlet 20 in the upper part of the membrane tank 110.
  • the biological reactor also has a ventilation system 40 at the bottom and an escape route biological sludge in excess 30, also at the bottom.
  • a pump 120 is installed on the access path 130 of the biological reactor 50 to the membrane tank 110.
  • This access path 130 connects the lower part of the biological reactor 5 to the lower part of the membrane tank 11.
  • the pump has a continuous regime, unlike that used in the first embodiment. Downstream of the pump 120 is installed a by-pass system, making it possible to direct part of the flow generated by the pump 120 out of the access path 130, towards a clearance path 150 bringing the surplus liquid to the reactor Biological 5, in the upper part of it.
  • a particle introduction path 100 is installed on the access path 130.
  • the pumped liquid is thus mixed with particles 70 in the membrane vessel 110.
  • a gate 80 is installed on the recirculation channel 140 of the membrane tank to the biological reactor, which connects the upper part of the membrane tank to the upper part of the biological reservoir.
  • the gate 80 has a mesh size smaller than the minimum diameter of the particles, for example equal to 0.8 times the diameter of the particles.
  • This gate 80 serves as a separation system particles and biological sludge, the particles being brought back by gravity to the membrane tank 110.
  • FIG. 7 another embodiment is shown. It includes the use of a filtration tank integrated in the biological sludge tank.
  • a biological reactor 51 is coupled to a system of two membranes 61 in a manner known per se, the membranes being confined in a tank called membrane tank 111 integrated in the biological reactor 51.
  • the raw water to be treated is introduced into the biological reactor 51 via an upstream inlet 11 in the upper part of the tank 51.
  • the treated water leaves the filtration tank via a downstream outlet 21 in the upper part of the membrane tank 111.
  • the biological reactor has a ventilation system 41 at the bottom and an escape route of excess biological sludge 31, also at the bottom.
  • a pulsation generator 121 is installed in the lower part of the membrane tank 111, near a communication channel 131 between the main space of the biological reactor 51 and the membrane tank. This access path 131 connects the lower part of the biological reactor 51 to the lower part of the membrane vessel 111.
  • the pulsation generator is controlled by a controller 91.
  • the liquid present in the membrane tank is placed in the presence of particles 71, in contact with the membranes 61.
  • a gate 81 is installed on the recirculation zone 141 going from the upper part of the membrane 111 to the upper part of the biological reactor 51.
  • the gate 81 serves as a separation system for particles and biological sludge, the particles being brought back by the gravity towards the membrane tank 111.
  • the system operates using filtration elements in the form of hollow fibers.
  • the pulsation generator 91 is here a pump, and that it may be a variant, in the different embodiments, of a Recirculated flow control device such as a damper, a variator or a bypass system.
  • a hydrocyclone is used, the particles being recovered underflow and the sludge overflowing.
  • a lamellar decanter is used at the top of the membrane vessel.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif et un procédé de traitement d'une eau à traiter impliquant une filtration à travers au moins une membrane couplée à un réacteur à boues activées, caractérisé en ce que des particules ajoutées sont présentes dans au moins un volume de boues activées au contact de la membrane et en ce que des variations d'un débit généré dans ledit volume de boues activées parallèlement à la membrane sont appliquées grâce à quoi il est créé à proximité immédiate de la membrane un niveau d' intensité turbulente moyen supérieur à celui correspondant à un débit constant.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE TRAITEMENT DES EAUX IMPLIQUANT UNE FILTRATION A TRAVERS AU MOINS UNE MEMBRANE IMMERGEE
La présente invention porte sur un procédé de traitement des eaux et un dispositif associé.
On connaît des procédés de traitement des eaux utilisant un couplage entre un réacteur à boues biologiques activées et une membrane de microfiltration ou d'ultrafiltration. De tels réacteurs biologiques couplés à une membrane sont communément appelés MBR pour Membrane Bio Reactor.
Les boues activées éliminent les pollutions carbonées, azotées et phosphorées. Généralement la membrane (plane ou fibre creuse organique) est immergée directement dans la boue activée, et possède des pores de dimension typiquement comprise entre 0.05 μm et 0.5 μm. Les liquides avant filtration (liqueur mixte) peuvent avoir une concentration de l'ordre de 10 g/L de matière en suspension. Les membranes assurent la séparation entre boue activée et eau épurée. Les effluents après traitement sont aspirés ou évacués par gravité.
Les dispositifs connus subissent malheureusement un colmatage des membranes pendant leur fonctionnement. Ce colmatage est dû à un dépôt de biosolides, d'espèces colloïdales ou macromoléculaires, couramment appelé « gâteau », qui entraîne une perte de perméabilité.
Le colmatage peut en partie être maîtrisé en appliquant au dispositif des phases de retro-lavage, où l'eau circule à contre-courant. Dans les procédés connus, on utilise aussi un dispositif d'aération spécifique pour diminuer le colmatage, en régime stationnaire. Un tel dispositif d'aération est fortement consommateur d'énergie, ce qui constitue un inconvénient majeur.
Avec les dispositifs connus, il est aussi fréquent de devoir procéder à un nettoyage des membranes avec des agents chimiques, ce qui implique de fermer l'installation pendant une période qui peut être considérée comme trop longue pour des raisons économiques ou opérationnelles. L'utilisation d'agents chimiques oxydants comme l'hypochlorite de sodium, constitue aussi une complication sur le plan environnemental.
On connaît du document JP 63-214177 (demande 6247210) un système de traitement des eaux fonctionnant avec un bio-réacteur à membranes, les membranes étant intégrées dans la cuve de boues activées, et dans lequel sont introduites des particules de dureté inférieure ou égale à celle de la membrane de séparation.
Les particules ont une densité supérieure à 1 , et font entre 1 et 2 mm de diamètre. Le volume occupé par les particules est de 10 à 50% du volume de la cuve membranaire. Les particules sont en résine, en gel ou en gomme de polyvinyl alcool, ou dans certains cas en céramique ou en carbone activé granulaire. Elles sont déplacées ou mises en suspension par un flux de liquide et de gaz dans la cuve membranaire, avec une vitesse de 1 à quelques m. s"1. Dans un cas, les particules sont mises en suspension dans un lit fluidisé. On connaît également du document « Granulate-driven fouling control in a submerged membrane module for MBR application » (World Water Congress Vienna 7-12 septembre 2008) un bio-réacteur à membrane, les membranes étant intégrées dans la cuve de boues activées. Des particules non poreuses et biologiquement résistantes sont introduites dans la boue à raison de 5 kg/m3. Il s'agit de particules ayant une densité comprise entre 1 et 1.5 kg/dm3, qui sont déplacées vers le haut par un courant d'air et de liquide, et qui retombent du fait de la gravité. Le dispositif utilise des membranes séparées les unes des autres par une distance de 8 mm, avec des particules de polymères de diamètre inférieur à 5 mm. Il est constaté que les membranes subissent des dommages dus aux particules.
Les solutions actuelles obligent donc à consommer beaucoup d'énergie, ou à changer les membranes souvent. On cherche donc une solution pour diminuer la consommation d'énergie des dispositifs existants, et plus précisément pour diminuer le colmatage en fonctionnement sans avoir notamment à prévoir une alimentation en air auprès des membranes. La solution doit aussi préserver la durée de vie des membranes, en évitant tout endommagement intempestif. Pour résoudre au moins un des problèmes évoqués ci-dessus la présente invention propose un procédé de traitement d'une eau à traiter impliquant une filtration à travers au moins une membrane couplée à un réacteur à boues activées, caractérisé en ce que des particules ajoutées sont présentes dans au moins un volume de boues activées au contact de la membrane et en ce que des variations d'un débit généré dans ledit volume de boues activées parallèlement à la membrane sont appliquées grâce à quoi il est créé à proximité immédiate de la membrane un niveau d'intensité turbulente moyen supérieur à celui correspondant à un débit constant. On précise que par particules ajoutées on entend des particules qui ne sont pas présentes initialement dans l'eau à traiter.
Ce procédé permet de conserver une perméabilité élevée des membranes, et donc d'économiser de l'énergie en se passant de dispositifs d'aération et d'étapes de nettoyage nécessitant l'arrêt de l'installation. Selon une caractéristique, les variations de débit sont appliquées en sorte de créer une alternance de niveaux d'intensité turbulente, ou un niveau d'intensité turbulente moyen supérieur à celui correspondant à un débit constant.
Il est créé des instationnarités au droit de la membrane, entraînant une déstabilisation du gâteau accumulé sur la membrane, ce qui permet de maintenir la perméabilité de la membrane à un niveau élevé.
Selon une caractéristique avantageuse, les variations d'un débit comprennent l'alternance d'au moins une première phase à débit dit « bas débit » et une deuxième phase à débit dit « haut débit ». Dans un mode de réalisation, les variations de débit incluent une alternance d'au moins une première et une deuxième phases, le débit pendant la première phase correspondant à une vitesse tangentielle moyenne comprise entre 0.01 et 0.1 ms~1 appliquée pendant une durée comprise entre 0 et 600 s, préférentiellement entre 10 et 45s. Avantageusement, pendant une deuxième phase, le débit correspond à une vitesse tangentielle moyenne comprise entre 0.1 et 0.35 ms"1 appliquée pendant une durée comprise entre 0 et 3600 s, préférentiellement entre 25 et 600s.
On préfère de plus que la durée de la première phase ait une durée compris entre 0.75 et 1.25 fois la durée de la deuxième phase. De préférence, le rapport entre le haut débit et le bas débit est compris entre 1.5 et 12, et préférentiellement entre 2 et 3.5.
Selon une caractéristique intéressante et avantageuse, les particules sont mises en mouvement dans un lit fluidisé. Cela permet avantageusement d'économiser de l'énergie par rapport à un dispositif utilisant un système d'aération.
Préférentiellement, la membrane est confinée en sorte de canaliser le mouvement d'ensemble dudit volume de boue activée. Cela permet avantageusement de minimiser l'énergie nécessaire à la génération du débit.
Selon un aspect avantageux de mise en œuvre, les variations de débit sont générées par régulation d'un dispositif de contrôle de débit de recirculation.
Dans les modes de réalisation préférés, certaines particules ont une densité entre 1 et 10, préférentiellement entre 1.5 et 3, et certaines particules ont un facteur de forme compris entre 1 et 20, préférentiellement entre 1 et 7. II est notamment préféré que certaines particules comprennent essentiellement un matériau organique, minéral ou composite, et dans un mode de réalisation tout particulièrement avantageux, les particules sont des billes de verre. Les billes de verre, utilisées avec des vitesses tangentielles telles que présentées ci-dessus, présentent l'avantage de conserver l'intégrité de la surface des membranes.
Qui plus est, de manière préférée, au moins certaines particules ont un diamètre compris entre 0.05 et 0.6 fois le diamètre d'une veine liquide. On précise que la notion de diamètre de veine liquide s'entend ici de la plus petite distance entre deux parois de la veine liquide. Avantageusement, le taux de remplissage en volume de la cuve membranaire par les particules est compris entre 0.5 et 50%, et préférentiellement entre 20 et 40 %. Selon un mode de réalisation, au moins une membrane est une membrane plane. Selon un autre mode de réalisation, au moins une membrane est une membrane à fibres creuses.
Dans un mode de réalisation, au moins une membrane est placée verticalement ou sensiblement verticalement.
Il est également prévu, dans certains modes de réalisation, qu'au moins une membrane soit dans un compartiment intégré au réacteur biologique. Alternativement ou en combinaison, au moins une membrane est dans un compartiment spécifique hors du réacteur biologique. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de traitement d'une eau à traiter impliquant une filtration à travers au moins une membrane couplée à un réacteur à boues activées et dont la perméabilité est maintenue dans le temps, caractérisé en ce que des particules ajoutées sont présentes dans au moins un volume de boues activées au contact de la membrane et en ce que des variations d'un débit généré dans ledit volume de boues activées parallèlement à la membrane sont appliquées aux particules.
Les différentes caractéristiques avantageuses définies ci-dessus en liaison avec le premier aspect de l'invention s'appliquent également à ce deuxième aspect de l'invention. Selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de traitement d'une eau à traiter comprenant au moins une membrane de filtration couplée à un réacteur à boues activées et dont la perméabilité est maintenue dans le temps, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'application à des particules ajoutées présentes dans au moins un volume de boues activées au contact de la membrane de variations d'un débit généré dans ledit volume de boues activées parallèlement à la membrane.
Selon une caractéristique préférée, les variations d'un débit sont appliquées en sorte de créer à proximité immédiate de la membrane un niveau d'intensité turbulente moyen supérieur à celui correspondant à un débit constant.
Il est également proposé un dispositif de traitement d'une eau à traiter comprenant au moins une membrane de filtration couplée à un réacteur à boues activées, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'application à des particules ajoutées présentes dans au moins un volume de boues activées au contact de la membrane de variations d'un débit généré dans ledit volume de boues activées parallèlement à la membrane, grâce à quoi les variations d'un débit sont appliquées en sorte de créer à proximité immédiate de la membrane un niveau d'intensité turbulente moyen supérieur à celui correspondant à un débit constant.
On soulignera que les différentes caractéristiques avantageuses définies ci-dessus en liaison avec le premier aspect de l'invention s'appliquent également à ces troisième et quatrième aspects de l'invention.
L'invention va maintenant être décrite en détails, en référence aux figures annexées.
La figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 est une vue de détail du dispositif de la figure précédente, une première phase de fonctionnement.
La figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2 du même dispositif, pendant une deuxième phase de fonctionnement.
La figure 4 est un ensemble de courbes de perméabilité mesurées expérimentalement dans différentes conditions avec le dispositif du premier mode de réalisation.
La figure 5 est aussi un ensemble de courbes de perméabilité mesurées expérimentalement dans différentes conditions avec le dispositif du premier mode de réalisation, sur une échelle de temps plus longue. La figure 6 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
La figure 7 est un schéma d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
En référence à la figure 1 , un réacteur biologique 5 est couplé à un système de deux membranes 6 de manière connue en soi, les membranes étant confinées dans une cuve dite cuve membranaire 11. Le nombre de membranes dépend de la mise en œuvre de l'invention. On peut typiquement utiliser 5 membranes.
Les eaux brutes à traiter sont introduites dans le réacteur biologique
5, dont le volume est dans cet exemple de 300 L, via une entrée amont 1 en partie haute du réservoir 5, ici à raison de 1.2 m3/j. Les eaux traitées sortent du réservoir de filtration par une sortie aval 2 en partie haute de la cuve membranaire 11.
Le réacteur biologique dispose également d'un système d'aération 4 en partie basse et d'une voie d'évacuation des boues biologiques en excès 3, également en partie basse. On précise qu'en variante, le réacteur 5 pourrait comporter plusieurs compartiments, certains étant aérés et d'autres non.
Les membranes 6 sont ici des membranes planes et verticales de largeur 0.515 m et de hauteur 1.47 m. La surface de filtration de chacune des deux membranes est de 1.37 m2. La distance entre deux membranes est de 7 mm.
Une pompe 12 pilotée par un contrôleur 8 et une voie d'introduction de particules 10 sont installées sur la voie d'accès 13 du réacteur biologique 5 à la cuve membranaire 11. Cette voie d'accès 13 relie la partie basse du réacteur biologique 5 à la partie basse de la cuve membranaire 11. La pompe 12 fonctionne avec un débit de 6 m3/h pendant une première phase, puis de 12 m3/h pendant une deuxième phase, le contrôleur 8 assurant l'alternance des deux phases.
La boue pompée est mélangée avec des particules 7 dans la cuve membranaire 11 , les particules 7 étant présentes dans une proportion située entre 3 et 30 % du volume utile de la cuve membranaire, en fonction des mises en œuvre. Les particules 7 sont ici des billes de verre de facteur de forme 1 , de
2 mm de diamètre et ayant une densité de 2.6.
Un collecteur 9 est installé sur la voie de recirculation 14 de la cuve membranaire 7 vers le réacteur biologique 5, qui relie la partie haute de la cuve membranaire 7 à la partie haute du réacteur biologique 5. Le collecteur 9 sert de système de séparation des particules et des boues biologiques. Dans le mode de réalisation représenté, ce collecteur 9 est installé sur la partie haute de la cuve membranaire, à l'entrée de la voie de recirculation.
On précise que la cuve membranaire 11 présente un confinement favorable au décolmatage des membranes 6. Il inclut un confinement complet de la veine liquide délimitée par la membrane avec une minimisation du volume mort. Le volume utile de la cuve membranaire est de 200 L.
En référence à la figure 2, on a présenté une vue de face d'une membrane 6 dans la cuve membranaire 11. La voie d'accès 13 du réacteur biologique 5 à la cuve membranaire 11 injecte un débit Qmιn de boues activées prélevées dans le réacteur biologique 5, du bas de la cuve membranaire 11 vers le haut. On a représenté ici quatre orifices d'injection disposés régulièrement sur le haut de la voie d'accès 5 qui est constituée d'une canalisation disposée au fond de la cuve membranaire, à une hauteur inférieure à celle du bas de la membrane 6.
Les particules 7 sont confrontées à un flux de liquide et de boue de bas en haut et suivent des mouvements variés dans le liquide, à proximité et au contact de la membrane 6.
La vue de la figure 2 représente une configuration d'équilibre, où l'ensemble formé par toutes les particules est globalement stable, certaines particules ayant un mouvement vers le haut, d'autres vers le bas.
On notera qu'avec le débit Qmιn représenté en figure 2, les particules sont présentes dans une petite moitié inférieure de la cuve membranaire, alors que la moitié supérieure de la cuve membranaire est pratiquement dépourvue de particules.
Enfin, la partie haute de la cuve membranaire 11 débouche sur un collecteur 9, qui est dans ce mode de réalisation, une zone de tranquillisation provoquée par un élargissement brusque de la cuve. Le liquide en excès s'écoule via le collecteur 9 et rejoint la voie de recirculation 14 représentée en figure 1. En référence à la figure 3, on a représenté une même vue de face de la cuve membranaire. Le débit injecté est cette fois ci supérieur à Qmιn, et atteint une valeur Qmaχ, qui dans le mode de réalisation représenté, est égal à deux fois la valeur de CWi Les particules 7 sont présentes dans toutes la hauteur de la cuve membranaire, du fait du débit qui est suffisant pour amener une ou plusieurs particules jusqu'en haut de la cuve. Le débit Qmax appliqué dans la configuration de la figure 3 est néanmoins suffisamment faible pour que les particules soient à peu prés uniformément réparties sur toute la hauteur de la cuve membranaire, la gravité étant suffisante pour en faire redescendre certaines vers le bas de la cuve.
Ici aussi, on a aussi représenté une configuration d'équilibre, l'ensemble formé par toutes les particules étant globalement immobile. Le liquide en excès s'écoule via le collecteur 9 et rejoint la voie de recirculation 14 avec un débit plus important que dans la configuration représentée en figure 3. Certaines particules 7 atteignent le collecteur 9, mais sont retenues par celui-ci, puis retombent du fait de leur poids dans la cuve membranaire 11.
En référence à la figure 4, on a représenté les mesures d'évolution de la perméabilité du système membranaire en fonction du temps sur une période de 4 heures à partir de la mise en fonctionnement du système, dans trois régimes opératoires différents. Les mesures sont effectuées à 20 °C, et les valeurs de perméabilité sont rapportées au m2 de membrane. Le dispositif de la figure 1 est équipé de cinq membranes de largeur 0.515 m confinées latéralement, la cuve membranaire 7 possédant une veine liquide totale de
0.021 m2.
En repère 1 , le dispositif de la figure 1 fonctionne sans particules et sans aération au niveau des membranes. On constate que la perméabilité, initialement voisine de 2000 L/h.m2.bar diminue rapidement jusqu'à atteindre une valeur d'environ 100 L/h.m2.bar au bout d'une heure de fonctionnement. La perméabilité reste ensuite voisine de cette dernière valeur, qualifiée de niveau de filtration quasi-frontale. En repère 2, on a figuré l'évolution observée avec une aération selon l'art antérieur, avec un débit de 0.6 Nm3 d'air (Normo mètre cube d'air) par m2 de membrane, selon l'art antérieur. La perméabilité débute à une valeur proche de 1000 L/h.m2.bar et évolue ensuite autour de la valeur de 800 L/h.m2.bar, supérieure d'un facteur environ 7 au niveau de filtration quasi-frontale.
En repère 3, on a figuré l'évolution de la perméabilité obtenue avec la mise en œuvre de l'invention. L'essai est effectué avec un taux de remplissage de la cuve membranaire par les particules de 30 % en volume, et une alternance d'une phase de 30 secondes de débit à 6 m3/h correspondant à une vitesse tangentielle de 0.08 m. s"1 avec une phase de 30 secondes de débit à 12 m3/h, correspondant à une vitesse tangentielle de 0.15 m. s"1. La perméabilité, après avoir débuté à une valeur proche de 1000 L/h.m2.bar évolue jusqu'à une valeur d'environ 1300 L/h.m2.bar, valeur autour de laquelle elle se stabilise.
En figure 5, on a représenté l'évolution de la perméabilité de la membrane sur des périodes plus longues allant jusqu'à 70 heures. Deux régimes de mise en œuvre sont représentés.
En repère 1 , on a représenté un essai avec un taux de remplissage des particules de 3 % du volume de la cuve membranaire et un débit de 6m3/h pendant une phase de 30 s, suivi d'un débit de 12 m3/h pendant une phase de
230 s. Avec ces valeurs de paramètres, on constate que la perméabilité diminue jusqu'à une valeur de 600 L/h.m2.bar, soit environ 6 fois la valeur de perméabilité quasi-frontale. L'intensité turbulente au droit de la membrane est de 17%.
En repère 2, on a représenté un essai avec un taux de remplissage de la cuve membranaire par des billes de verre à hauteur de 30 % du volume, et une alternance d'une phase de 30 secondes de débit à 6 m3/h correspondant à une vitesse tangentielle de 0.08 m. s"1 avec une phase de 30 secondes de débit à 12 m3/h correspondant à une vitesse tangentielle de 0.15 m. s"1.
Avec ces valeurs de paramètre, qui constituent le mode de réalisation préféré de l'invention, la perméabilité se maintient à une valeur de 1100 L/h.m2.bar, soir 11 fois plus que la valeur de perméabilité quasi-frontale. L'intensité turbulente au droit de la membrane, moyennée sur une dizaine de cycles, est de 42%.
En référence à la figure 6, un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention est représenté. Un réacteur biologique 50 est couplé à un système de deux membranes 60 de manière connue en soi, les membranes étant confinées dans une cuve dite cuve membranaire 110.
Les eaux brutes à traiter sont introduites dans le réacteur biologique 50 via une entrée amont 10 en partie haute du réservoir 50. Les eaux traitées sortent du réservoir de filtration par une sortie aval 20 en partie haute de la cuve membranaire 110.
Comme dans le premier mode de réalisation, le réacteur biologique dispose également d'un système d'aération 40 en partie basse et d'une voie d'évacuation des boues biologiques en excès 30, également en partie basse.
Une pompe 120 est installée sur la voie d'accès 130 du réacteur biologique 50 à la cuve membranaire 110. Cette voie d'accès 130 relie la partie basse du réacteur biologique 5 à la partie basse de la cuve membranaire 11. La pompe a un régime continu, contrairement à celle utilisée dans le premier mode de réalisation. En aval de la pompe 120 est installé un système by-pass, permettant d'orienter une partie du débit généré par la pompe 120 hors de la voie d'accès 130, vers une voie de dégagement 150 amenant le liquide en surplus vers le réacteur biologique 5, en partie haute de celui-ci.
Par ailleurs, une voie d'introduction de particules 100 est installée sur la voie d'accès 130. Le liquide pompé est ainsi mélangé avec des particules 70 dans la cuve membranaire 110.
Une grille 80 est installée sur la voie de recirculation 140 de la cuve membranaire vers le réacteur biologique, qui relie la partie haute de la cuve membranaire à la partie haute du réservoir biologique. La grille 80 a un maillage de taille inférieure au diamètre minimal des particules, par exemple égal à 0.8 fois le diamètre des particules. Cette grille 80 sert de système de séparation des particules et des boues biologiques, les particules étant ramenées par la gravité vers la cuve membranaire 110.
En référence à la figure 7, un autre mode de réalisation est représenté. Il comprend l'utilisation d'un réservoir de filtration intégré à la cuve de boue biologique. Un réacteur biologique 51 est couplé à un système de deux membranes 61 de manière connue en soi, les membranes étant confinées dans une cuve dite cuve membranaire 111 intégrée dans le réacteur biologique 51.
Les eaux brutes à traiter sont introduites dans le réacteur biologique 51 via une entrée amont 11 en partie haute du réservoir 51. Les eaux traitées sortent du réservoir de filtration par une sortie aval 21 en partie haute de la cuve membranaire 111.
Comme dans les modes de réalisation précédents, le réacteur biologique dispose d'un système d'aération 41 en partie basse et d'une voie d'évacuation des boues biologiques en excès 31 , également en partie basse.
Un générateur de pulsation 121 est installé dans la partie basse de la cuve membranaire 111 , à proximité d'une voie de communication 131 entre l'espace principal du réacteur biologique 51 et la cuve membranaire. Cette voie d'accès 131 relie la partie basse du réacteur biologique 51 à la partie basse de la cuve membranaire 111. Le générateur de pulsation est contrôlé par un contrôleur 91.
Le liquide présent dans la cuve membranaire est mis en présence de particules 71 , au contact des membranes 61.
Une grille 81 est installée sur la zone de recirculation 141 allant de la partie haute cuve de la membranaire 111 vers la partie haute du réacteur biologique 51. La grille 81 sert de système de séparation des particules et des boues biologiques, les particules étant ramenées par la gravité vers la cuve membranaire 111.
Selon un autre mode de réalisation non représenté, le système fonctionne à l'aide d'éléments de filtration sous forme de fibres creuses.
On notera que le générateur de pulsations 91 est ici une pompe, et qu'il peut s'agir en variante, dans les différents modes de réalisation, d'un dispositif de contrôle du débit recirculé comme un clapet, un variateur ou un système by-pass.
En ce qui concerne le système de séparation des particules et de la boue, dans un mode de réalisation alternatif, on utilise un hydrocyclone, les particules étant récupérées en sous-verse et la boue en surverse. Dans un autre mode de réalisation on utilise un décanteur lamellaire en haut de la cuve de la membrane.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d'une eau à traiter impliquant une filtration à travers au moins une membrane couplée à un réacteur à boues activées, caractérisé en ce que des particules ajoutées sont présentes dans au moins un volume de boues activées au contact de la membrane et en ce que des variations d'un débit généré dans ledit volume de boues activées parallèlement à la membrane sont appliquées grâce à quoi il est créé à proximité immédiate de la membrane un niveau d'intensité turbulente moyen supérieur à celui correspondant à un débit constant.
2. Procédé de traitement selon la revendication 1 , caractérisé en ce les variations d'un débit comprennent l'alternance d'au moins une première phase à débit dit « bas débit » et une deuxième phase à débit dit « haut débit ».
3. Procédé de traitement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les variations de débit incluent une alternance d'au moins une première et une deuxième phases, le débit pendant la première phase correspondant à une vitesse tangentielle moyenne comprise entre 0.01 et 0.1 ms~1 appliquée pendant une durée comprise entre 0 et 600 s, préférentiellement entre 10 et 45s.
4. Procédé de traitement selon la revendication 3, caractérisé en ce que pendant une deuxième phase, le débit correspond à une vitesse tangentielle moyenne comprise entre 0.1 et 0.35 ms~1 appliquée pendant une durée comprise entre 0 et 3600 s, préférentiellement entre 25 et 600s.
5. Procédé de traitement selon l'une de revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la durée de la première phase a une durée compris entre 0.75 et 1.25 fois la durée de la deuxième phase.
6. Procédé de traitement selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le rapport entre le haut débit et le bas débit est compris entre 1.5 et 12, et préférentiellement entre 2 et 3.5.
7. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les particules sont mises en mouvement dans un lit fluidisé.
8. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la membrane est confinée en sorte de canaliser le mouvement d'ensemble dudit volume de boue activée.
9. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les variations de débit sont générées par régulation d'un dispositif de contrôle de débit de recirculation.
10. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que certaines particules ont une densité entre 1 et 10, préférentiellement entre 1.5 et 3.
11. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que certaines particules ont un facteur de forme compris entre 1 et 20, préférentiellement entre 1 et 7.
12. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce que certaines particules comprennent essentiellement un matériau organique, minéral ou composite.
13. Procédé de traitement selon la revendication 12, caractérisé en ce que les particules sont des billes de verre.
14. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'au moins certaines particules ont un diamètre compris entre 0.05 et 0.6 fois le diamètre d'une veine liquide.
15. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le taux de remplissage en volume de la cuve membranaire par les particules est compris entre 0.5 et 50%, et préférentiellement entre 20 et 40 %.
16. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'au moins une membrane est une membrane plane.
17. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'au moins une membrane est une membrane à fibres creuses.
18. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'au moins une membrane est placée verticalement ou sensiblement verticalement.
19. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce qu'au moins une membrane est dans un compartiment intégré au réacteur biologique.
20. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce qu'au moins une membrane est dans un compartiment spécifique hors du réacteur biologique.
21. Procédé de traitement selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'au moins une membrane est une membrane immergée.
22. Procédé de traitement d'une eau à traiter impliquant une filtration à travers au moins une membrane couplée à un réacteur à boues activées caractérisé en ce que des particules ajoutées sont présentes dans au moins un volume de boues activées au contact de la membrane et en ce que des variations d'un débit généré dans ledit volume de boues activées parallèlement à la membrane sont appliquées aux particules grâce à quoi la perméabilité de la membrane est maintenue dans le temps..
23. Dispositif de traitement d'une eau à traiter comprenant au moins une membrane de filtration couplée à un réacteur à boues activées, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'application à des particules ajoutées présentes dans au moins un volume de boues activées au contact de la membrane de variations d'un débit généré dans ledit volume de boues activées parallèlement à la membrane, grâce à quoi la perméabilité de la membrane peut être maintenue dans le temps
24. Dispositif de traitement selon la revendication 23 dans lequel les variations d'un débit sont appliquées en sorte de créer à proximité immédiate de la membrane un niveau d'intensité turbulente moyen supérieur à celui correspondant à un débit constant.
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