WO2016102872A1 - Dispositif mobile de traitement biologique des eaux usées du type à bioréacteur - Google Patents

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WO2016102872A1
WO2016102872A1 PCT/FR2015/053696 FR2015053696W WO2016102872A1 WO 2016102872 A1 WO2016102872 A1 WO 2016102872A1 FR 2015053696 W FR2015053696 W FR 2015053696W WO 2016102872 A1 WO2016102872 A1 WO 2016102872A1
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wastewater treatment
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treatment device
biological wastewater
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Paul PRADEAU
Van Ly TRAN
Pierre François
Rémy FRANÇOIS
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Bfg Environmental Technologies
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Definitions

  • the present invention relates to a mobile device for biological treatment of wastewater type bioreactor submerged membrane for treating greywater and black water. It is also a system for recycling said wastewater or possibly rejecting it in nature while ensuring the protection of the environment.
  • This biological treatment is conventionally done by means of purified activated sludge, living in a tank in which the effluents to be treated are brought. These bacteria in fact consume the organic pollution, a membrane system then making it possible to carry out the solid / liquid separation, the permeate available downstream of the membrane (s) being sufficiently filtered to be optionally rejected.
  • the device of the invention is subjected to very particular constraints, insofar as it sleeps 1. to be compact, that is to say of reduced volume, 2. to have a great autonomy of operation, in the sense of not require few human interventions; and 3. be easily transportable for the required mobility.
  • the purpose of compactness is to allow simplified processing during maintenance phases, which typically have to be carried out by a single operator, at most two.
  • the device must have for this purpose a volume, a weight and a configuration that allow manipulation by one or two people.
  • the membrane bioreactor wastewater treatment device of the invention which is conventionally provided with a wastewater inlet conduit to treat and outlet duct of treated and filtered water, connected to a permeation pump, is characterized in that it comprises a container whose internal volume between 50 L and 300 L is parallelepipedic pace to two large vertical lateral sides, forming a reservoir in which the concentration of bacteria varies between 3 g / L and 30 g / L, divided into N columns (2 ⁇ N ⁇ 3) delimited by N-1 intermediate wall (s) (s) vertical separation (s) each providing an upper passage and a lower passage between columns for circulation between columns effluents.
  • At least one diffuser of fine air bubbles is placed at the base of each column, each diffuser being connected to a control solenoid valve and to pumping means ensuring an air flow of at most 10 Nm 3 / h by diffuser.
  • the clogging is particularly limited by the tangential flow to the right of the membranes as it results from the chosen configuration, in which the membrane surfaces are arranged parallel to the hydraulic flow, and participate in the laminarization of these flows.
  • the air flow emitted by the diffusers then makes it possible to ensure that the tangential speeds are sufficient to the right of the membrane surfaces.
  • the direction and the direction of the air flows emitted by the diffusers of fine air bubbles in their respective columns are identical, causing the diffusers of two adjacent columns to operate in opposition relative to the flow direction of the tributaries , their airflows being independently controlled independently.
  • the diffusers inject air in opposite directions into the sludge circulation loop (s), which makes it possible to have a system capable of organizing a speed of air circulation allowing better control the rate of oxygen transfer, directly related to the concentration of bacteria.
  • the membranes are arranged so that the same transverse distance e separates the membranes between them on the one hand and the end membranes and a long side or at least a median dawn partition, the vertical ribs of the membranes being located close to the short sides of the tank.
  • the idea is not to offer a preferential path to effluent flows, which must be able to approach the membrane surfaces in the same conditions regardless of the position of the membrane, which facilitates the laminarization and homogeneity of the overall flow between membranes.
  • the upper and lower passages create pressure drops in the hydraulic circuit forming at least one loop inside the tank, and in particular allow to control the speed of the effluent flow, in connection with the air flow rate from the diffusers that helps to move the sludge in ie (s) dit (s) hydraulic circuit (s). Turbulence can be created in these places, beneficial in the lower part because allowing to prevent fouling of the numerous orifices of the diffusers, which serve in particular to calibrate the bubbles: they must not have too large diameters, which would reduce the ability to transfer oxygen. At the same time, these losses reduce the overall efficiency of the system due to energy losses, resulting in a fine calibration of the upper and lower passages.
  • the geometry of the reservoir, as well as the components present inside this reservoir are designed and chosen so as to improve the hydrodynamics of the streams, which also makes it possible to optimize the homogeneous oxygen transfer and to limit the phenomena of clogging of the membrane and diffusers.
  • the membranes may be flat ultrafiltration membranes.
  • the membrane surface used is close to the theoretical membrane surface calculated so that the permeation flux is less than the subcritical flux, for example 15 LMH.
  • they may be constituted by rectangular flat plates with external filtering walls and hollow interior volume, fixed to one another in the vicinity of their corners by a system maintaining their separation distance e and comprising a tensor device for each membrane .
  • the flow effluent circulating between the membranes, treated by the bacteria oxygenated liquid medium by the bubbles emitted by the diffuser located at the bottom of the column, is substantially laminar.
  • the filtration is therefore tangentially, which makes essential the existence of air flows that help the flow of sludge in the columns in a direction substantially along their axis.
  • the plates are kept at a distance from each other in each corner by spacer washers, a circular orifice formed in each corner of each membrane forming, with the central circular openings of the washers, a channel into which a rotary shaft is inserted. in said channel, an eccentric. According to its position, the eccentric located in each corner is made to tension, in cooperation with the eccentrics located in the other three corners, all the membrane plates at the same time.
  • the eccentric bearing shaft connects the two long sides of the reservoir, and its end located in the coionne without membranes is provided with a damping stop. Said shaft further comprises means for locking the eccentric in tension position of each membrane.
  • These means for locking the eccentric may for example consist of a nut placed on the shaft in the vicinity of the intermediate wall, column side without membranes.
  • a notched flange projecting radially from said shaft in the vicinity of said wall, on the membrane filter column side, is moved in contact with a ring or toothed zone secured to said wall by clamping the nut towards and in contact with the partition.
  • a tool which may be a simpie rod operable from the outside, insertable in a through-hole transversely the shaft, allows to rotate the shaft so as to tension the membrane plates.
  • the membranes are also connected to a central hub consisting of central orifice spacers forming coaxial apertures with the same shape of the membranes, an evacuation manifold of the filtered liquid, of a shape perpendicular to the membranes, closed at its ends by flanges, one of which rests on one end of the hub and the other rests on a face of the intermediate wall opposite to that on which the hub.
  • the two flanges are fixed to each other so as to compress the hub in an adjustable manner.
  • These spacers like the washers of the systems applied to the corners of the membrane plates, have a thickness e corresponding to the spacing distance between the membranes.
  • this distance is also that which is respected between the two end membranes and the walls facing them, so as not to favor any axis of flow for the effluents to be treated, which would have the effect of non-homogeneous filtration. , the coalescence of fine bubbles in large bubbles, non-homogeneous sludge circulation velocities and the creation of potential dead zones.
  • the suction pipe of the filtered water is fixed to the flange resting against the intermediate wall and connected to the collector.
  • the flanges are for example screwed by a screw whose head rests on one of the flanges and which is screwed into the other flange, allowing adjustment of the compression of the assembly.
  • the inlet pipe of the wastewater actually opens in the upper part of the tank, above the upper passage, and has an inside diameter of less than 50 mm.
  • the bioreactor is in practice placed, in the hydraulic circuit, downstream of a device which prevents the passage of foreign objects, likely to damage the filtration membranes.
  • the tank further comprises a drain duct which opens at its lower part, the upper portion of which enters the tank from above and has a diameter of at least 20 mm.
  • the lower section, located at one of the diffusers has a progressively flattened section with an exit orifice of rectangular shape of surface substantially equivalent to that of the upper section. It must be possible to empty said tank in a few minutes, which requires a certain sectional area for said conduit. Because of the limited space in the lower part and to ensure a homogeneous hydraulic flow, because of in particular the size of the diffusers, the section of the pipe must be adapted as mentioned above.
  • the membranes are membranes with a porosity of 0.04 ⁇ m or with a cutoff threshold (MWCO) corresponding to a molecular weight of 150 kDa. They may be polyester sulphone PES.
  • the invention is designed for tank volumes that are of the order of 50 to 300 liters: more specifically, a height of between 50 and 200 cm, for a thickness of 15 cm to 40 cm and a width of the order of that of the membranes (see below).
  • This volume is compatible with the constraints initially posed, namely the creation of a compact mobile product, with a high concentration of bacteria and having an autonomy of several months.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation in section of a two-column reservoir of the membrane bioreactor device
  • FIG. 2 shows, in perspective view, the different equipment dudtt tank
  • FIG. 3 shows a diagrammatic sectional view of the voltage system of the membranes and the collector
  • FIG. 4 is a partial view, from the front, of a membrane stretched using such systems.
  • FIG. 5 shows a tank configuration with three columns, shown very schematically.
  • the reservoir (1) is divided transversely into two columns (2) and (3) by an intermediate partition (4).
  • the columns are limited laterally by the large walls of the tank (1), parallel to the partition (4).
  • Column (2) contains the membrane filter (5), consisting of a set of several parallel membranes (6) (in fact membranes of thin plates, of the order of 3 mm) maintained at the same distance e each other. Both membranes (6) end are also at the same distance e of the outer wall of the reservoir (1) on the one hand and the intermediate partition wall (4) on the other hand.
  • the membrane filter (5) comprises a collector (7) through which the water filtered by the membranes (6) is evacuated via an orifice formed therein.
  • This collector (7) is connected to an outlet duct (8) returning the filtered water to a hydraulic circuit including the wastewater treatment device of the invention, for example a recycling loop of wastewater from toilet, upstream of the flush tank.
  • this conduit (8) opens into a permeation pump (not shown) which recirculates the filtered liquid for example to said flush tank, or other post-treatment device, or towards the natural environment.
  • FIG. 1 also shows the pipes (9, 10) supplying air to two diffusers (11, 12) located at the bottom of the columns (2, 3) of the tank (1), and connected upstream to pumps (not shown) and the supply line (36) of the wastewater to be treated.
  • the upper (13) and lower (14) passages make it possible to ensure the circulation of the sludge in a loop inside the tank (1).
  • the membranes (6) of the membrane filter (5) must be stretched, in particular in order to preserve between them, at any point on their surface, the same spacing e and thus to ensure a smooth flow. homogeneous possible sludge, without favoring passages but without introducing losses of load either.
  • the tensor device is located at each corner of the membrane filter (5), and is based on an eccentric (18) (see in particular in Figure 3). More specifically, the membranes (6) are separated by spacers washers (19) and surrounding an eccentric portion (18) of a shaft (20) joining the long sides of the tank (1). Said eccentric portion (18) of the shaft (20) takes place only at the level of the membranes (6), as is particularly visible in Figures 3 and 4.
  • each membrane (6) the circular orifices that appear in each corner of each membrane (6) are coaxial with the circular openings of the washers (19), together creating a channel in which the rotary shaft (20), or more precisely its eccentric (18) can rotate.
  • One end of the shaft (20) has a pin (21) which bears on one of the walls or long side of the tank (1) (not shown).
  • the other end of the shaft (20) has a damping stop (22) which rests against the other wall of the tank (1). This stop (22) serves in particular to dampen shocks and vibrations that could affect the tank especially when placed in real conditions in rolling stock.
  • the shaft (20) further includes a transverse orifice (23) in which an elongated tool can be insertable to rotate the shaft (20) for the purpose of tensioning and locking the membranes (6) of the membrane filter (5), as shown in Fig. 4 when the eccentric portions (18) are spaced from each other.
  • a nut (25) moves on the shaft (20) when it is clamped towards the intermediate wall (4), helping to press a ring or toothed zone (28) integral with the intermediate wall (4) to a notched flange (27) protruding radially from the shaft (20), and thus blocking the assembly in tensioned position of the membranes (6), as results from FIGS. 3 and 4.
  • the membranes (6) of the membrane filter (5) ) are tense, ready for use.
  • the collector (7) also consists of a succession of spacers (28) of the washer type whose central orifice forms with coaxial openings made in the different membranes (6) a collector (7) for discharging the filtered liquid into the membrane plates (6) (symbolized by arrows).
  • spacers (28) have the same thickness as the washers (19), and they maintain, within the membrane filter, the same spacing e between the membranes (6) adjacent that the wedge washers (19).
  • the filtered water flows into the collector (7) through the edges of the openings in the membranes (6).
  • Two flanges (29, 30) obstruct the two ends of the manifold (7), and are connected by a screw (31) resting in a recess (32) of the flange (29) while the threaded end is engaged in a hole Thread (33) of the flange (30).
  • the flask (30) has a suction duct (35) connected to the outlet pipe (8) conveying the filtered water to the hydraulic circuit to which the membrane bioreactor treatment device of the invention belongs.
  • the permeation pump which is arranged downstream is capable of handling a flow rate of the order of 90 L / h.
  • the device is designed to manage 15 to 20 L of wastewater per hour, corresponding to between 15 and 20 operations of a flush (approximately 0.45 L of water + 0.3 L urine containing feces and toilet papers dissolved each time), and the pump is therefore dimensioned in this respect.
  • the volumes and sizing of the components will be related to the quantity of wastewater to be treated.
  • the membranes (6) of the membrane filter (5) are disposed in the reactor (1) in order to avoid any preferential flow of sludge which would be detrimental to the overall filtration process. It is emphasized again that, in the transverse dimension of the column, the same thickness e is preserved between all the membranes (6) as well as between the membranes (6) and the external wall of the reservoir (1) on the one hand, and the intermediate partition wall (4) on the other hand. In the width (not shown), that is to say on the lateral sides of the membranes (6), it should also be ensured that the effluents can not pass through a privileged corridor. This is the reason why said membranes (6) extend to close proximity to the short sides of the tank (1).
  • the supply duct (36) in wastewater with an internal diameter of the order of 47 mm, in any case less than 50 mm, opens into the upper part of the tank (1), preferably above the level of the sludge in order to achieve a hydraulic rupture, avoiding any possibility of siphoning.
  • the drain pipe (37) opens at the bottom and, to be provided with a section large enough to allow rapid emptying, its upper part has a diameter of the order of 22 mm or more, while its lower part, located at the level of a diffuser and having less space, is flattened with an exit section of rectangular shape for example of the order of 24 mm x 9 mm.
  • FIG. 5 very schematically represents a reservoir (1) with three adjacent columns (2, 2 ⁇ 3) separated by partitions (4, 4 '), in which two wastewater circulation loops (symbolized by arrows giving the directions flows) coexist.
  • Diffusers 11, 11 ', 12
  • the membrane filter (not shown) is placed in the upper part of the central column (3) common to the two circulation loops. It operates exactly the same way as in the case of two columns, the circulation between columns (2, 2 ', 3) being provided by upper passages (13, 13') and lower (14, 14 ').

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Abstract

Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée permettant le traitement des eaux grises et des eaux noires, muni d'un conduit d'entrée (36) des effluents à traiter et d'un conduit de sortie (8) d'eau traitée et filtrée relié à une pompe de perméation. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte un contenant dont le volume intérieur compris entre 50 L et 300 L est d'allure parallélépipédique à deux grands côtés latéraux verticaux, formant un réservoir (1) dans lequel ta concentration de bactéries varie entre 3 g/L et 30 g/L, divisé en N colonnes (2≤N≤3) délimitées par N-1 paroi(s) (4, 4') intermédiaire(s) verticale(s) de séparation ménageant chacune un passage supérieur (13, 13') et un passage inférieur (14, 14') entre colonnes (2, 2', 3) permettant une circulation entre colonnes (2, 2', 3) des effluents, un filtre membranaire (5) comportant un ensemble de membranes de filtration (8) planes parallèles également d'allure verticale, offrant une surface membranaire comprise entre 1 m2 et 12 m2, étant placé en partie supérieure d'une desdites colonnes (3), la colonne centrale si N=3, sous le ou les passage(s) supérieur(s) (13, 13'), les membranes (6) étant reliées à un collecteur (7) aval collectant les eaux filtrées et relié au conduit de sortie (8), la pompe de perméation assurant un débit transmembranaire inférieur au flux subcritique, au moins un diffuseur (11, 11', 12) de fines bulles d'air étant placé à la base de chaque colonne (2, 3), chaque diffuseur (11, 11', 12) étant raccordé à une électrovanne de régulation et à des moyens de pompage y assurant un débit d'air au plus égal à 10 Nm3/h par diffuseur.

Description

Dispositif mobile de traitement biologique des eaux usées
du type à bioréacteur.
La présente invention concerne un dispositif mobile de traitement biologique des eaux usées de type à bioréacteur à membrane immergée permettant le traitement des eaux grises et des eaux noires. Il s'agit également d'un système permettant de recycler lesdites eaux usées ou éventuellement de les rejeter dans la nature en garantissant la protection de l'environnement. Ce traitement biologique se fait classiquement au moyen de boues activées épuratrices, vivant dans un réservoir dans lequel les effluents à traiter sont apportés. Ces bactéries consomment en fait la pollution organique, un système membranaire permettant ensuite de réaliser la séparation solide / liquide, le perméat disponible en aval de la ou des membranes étant suffisamment filtré pour être le cas échéant rejeté.
Le dispositif de l'invention est soumis à des contraintes très particulières, dans la mesure où il dort 1. être compact, c'est-à-dire de volume réduit, 2. présenter une grande autonomie de fonctionnement, dans le sens de ne nécessiter que peu d'interventions humaines et, 3. être aisément transportable en vue de la mobilité requise.
L'une des utilisations potentielles prévues est le traitement des eaux usées dans des matériels roulants de type ferroviaire, provenant de toilettes de trains. De multiples autres applications sont possibles, en particulier dans le domaine des toilettes publiques, des toilettes mobiles pour les événements, ainsi que dans toute autre forme de transport comme par exemple les bateaux, les camping-cars, ou encore dans l'assainissement non collectif (ANC), sur les aires d'autoroute, etc., l'une des caractéristiques de l'invention étant que le dispositif n'est pas raccordé à un réseau d'assainissement.
Il peut donc être mobile, comme dans le cas des trains, et doit garantir un traitement efficient de la pollution des effluents sur une durée la plus longue possible, plusieurs semaines et idéalement plusieurs mois, sans intervention humaine. Il convient donc de maîtriser le processus bactériologique et ses différents paramètres que sont les cycles d'aération-anoxie-anaérobie, la température, le pH, ainsi que les paramètres de filtratton et de colmatage membranaire, afin d'assurer la vie et la croissance de la biomasse dans les conditions de volume imposées par l'exigence de compacité, de façon à aboutir à une autonomie de cet ordre.
La compacité a pour objet de permettre un traitement simplifié lors des phases de maintenance, qui doivent typiquement pouvoir être effectuées par un seul opérateur, deux au plus. Le dispositif doit présenter à cet effet un volume, un poids et une configuration qui permettent la manipulation par une ou deux personnes.
Pour répondre à ces problèmes, et à d'autres qui seront mentionnés dans la suite, le dispositif de traitement d'eaux usées à bioréacteur à membrane de l'invention, qui est classiquement muni d'un conduit d'entrée des eaux usées à traiter et d'un conduit de sortie de l'eau traitée et filtrée, relié à une pompe de perméation, se caractérise en ce qu'il comporte un contenant dont le volume intérieur compris entre 50 L et 300 L est d'allure parallélépipôdique à deux grands côtés latéraux verticaux, formant un réservoir dans lequel la concentration de bactéries varie entre 3 g/L et 30 g/L, divisé en N colonnes (2≤N≤3) délimitées par N-1 paroi(s) intermédiaire(s) verticale(s) de séparation ménageant chacune un passage supérieur et un passage inférieur entre colonnes permettant une circulation entre colonnes des effluents. Un filtre membranaire comportant un ensemble de membranes de filtratton planes parallèles également d'allure verticale, offrant une surface membranaire comprise entre 1 m2 et 12 m2, est par ailleurs placé en partie supérieure d'une desdites colonnes, la colonne centrale si N=3, sous le ou les passage(s) supérieurs), les membranes étant reliées à un collecteur aval collectant les eaux filtrées et relié au conduit de sortie, la pompe de perméation assurant un débit transmembranaire inférieur au flux subcritique. Au moins un diffuseur de fines bulles d'air est placé à la base de chaque colonne, chaque diffuseur étant raccordé à une électrovanne de régulation et à des moyens de pompage assurant un débit d'air au plus égal à 10 Nm3/h par diffuseur. La combinaison de ces caractéristiques géométriques et physicochimiques assure la réalisation des objectifs de compacité et d'autonomie assignés au dispositif de l'invention. Plus précisément, dans ce volume, moyennant l'utilisation de cette configuration géométrique et un pilotage approprié, un te! débit d'air permet d'oxygéner de façon optimisée la biomasse et de lui assurer un environnement contrôlé et stable. La mise au point de ces paramètres résuite de recherches et d'essais ayant permis d'aboutir à des valeurs satisfaisantes pour tous les paramètres cités, c'est-à- dire susceptibles d'assurer un équilibre dans la gestion de l'existence et de la croissance du milieu bactérien sur le long terme sans compromettre la dynamique du fonctionnement hydraulique.
Ainsi, parmi les problèmes rencontrés, il est à noter que lors de la filtratlon, les boues ont tendance à se déposer sur la surface membranaire en y créant un biofiim. Il faut s'assurer que celui-ci ne devienne pas un « gâteau » compact qui affecterait ensuite progressivement et de plus en plus la fittration. Le colmatage qui en résulterait diminuerait de façon importante l'autonomie du système. Tous les choix technologiques effectués dans le cadre de l'invention ont pour résultat final la maîtrise du processus de fiitratîon, à la mesure 1. de la concentration en bactéries, 2. de leur impact sur les membranes et 3. de leur alimentation en oxygène, par la gestion du flux hydraulique des boues dans le réservoir, etc.
Le colmatage est en particulier limité par le flux tangentiel au droit des membranes tel qu'il résulte de la configuration choisie, dans laquelle les surfaces membranaires sont disposées parallèlement au flux hydraulique, et participent à la laminarisation de ces flux. Le débit d'air émis par les diffuseurs permet ensuite d'assurer que les vitesses tangentielles sont suffisantes au droit des surfaces membranaires.
Selon l'invention, la direction et le sens des flux d'air émis par les diffuseurs de fines bulles d'air dans leurs colonnes respectives sont identiques, conduisant les diffuseurs de deux colonnes adjacentes à fonctionner en opposition relativement au sens de circulation des affluents, leurs débits d'air étant au surplus contrôlés indépendamment. En pratique, cela revient à dire que les diffuseurs injectent de i'air en sens opposés dans la ou les boucles de circulation des boues, ce qui permet de disposer d'un système apte à organiser une vitesse de circulation de i'air permettant de mieux maîtriser le taux de transfert de l'oxygène, en lien direct avec la concentration en bactéries. La fiitration n'est évidemment mise en œuvre que lorsque ies diffuseurs d'air sont activés, faute de quoi les membranes s'encrasseraient rapidement, au lieu de quoi l'air injecté par lesdits diffuseurs limite le colmatage membranaire, des cycles réguliers d'injection de grosses bulles d'air permettant en outre de « décolmater » les membranes. El faut cependant trouver un compromis acceptable entre la nécessité du transfert d'oxygène, qui milite pour une solution à faible vitesse de déplacement des effluents, et les nécessites mécaniques d'un décrassage dynamique des membranes, qui militent au contraire pour une vitesse plus élevée.
Pour assurer un débit transmembranaire inférieur au flux subcritique, garant de la proportionnaiité de ce débit avec la pression transmembranaire et par conséquent d'une bonne maîtrise de la rhéologie du circuit hydraulique, les membranes sont disposées de sorte qu'une même distance transversale e sépare les membranes entre elles d'une part et les membranes d'extrémité et un grand côté ou au moins une cloison médiane d'aube part, les côtes verticaux des membranes étant situés à proximité immédiate des petits côtés du réservoir. L'idée est de ne pas offrir de chemin préférentiel aux flux d'effluents, qui doivent pouvoir aborder les surfaces membranaires dans les mêmes conditions quelle que soit la position de la membrane, ce qui facilite la laminarisation et l'homogénéité du flux global entre les membranes.
En pratique, les passages supérieur et inférieur créent des pertes de charges dans le circuit hydraulique formant au moins une boucle interne au réservoir, et permettent en particulier d'y contrôler la vitesse du flux d'effluent, en lien avec le débit d'air issu des diffuseurs qui aide à déplacer les boues dans ie(s)dit(s) circuit(s) hydraulîque{s). Des turbulences peuvent se créer à ces endroits, bénéfiques en partie inférieure car permettant d'éviter un encrassement des nombreux orifices des diffuseurs, qui servent notamment à calibrer ies bulles : celles-ci ne doivent pas présenter des diamètres trop importants, qui réduirait la capacité de transférer l'oxygène. En même temps, ces pertes de charges diminuent l'efficacité globale du système du fait des pertes d'énergie, d'où un calibrage fin des passages supérieur et inférieur. Une des idées directrices qui a présidé à la conception du bioréacteur, et qu'on retrouve à chaque étape de la conception, est le souci constant d'améliorer les transferts d'oxygène, qui sont fondamentaux pour assurer la pérennité d'un milieu bactérien conforme aux objectifs poursuivis. A cet égard, la taille des bulles doit être maintenue la plus faible possible afin de garantir une surface spécifique d'échange la plus importante, qui engendre le meilleur taux de transfert d'oxygène. Par ailleurs, la vitesse des bulles étant contrôlée par le dispositif de diffusion en opposition, les temps de contact entre la biomasse et les bulles d'air sont optimisés.
La géométrie du réservoir, ainsi que ies composants présents à l'intérieur de ce réservoir sont conçus et choisis de sorte à améliorer l'hydrodynamique des flux, ce qui permet également d'optimiser le transfert homogène d'oxygène et de limiter les phénomènes de colmatage de la membrane et des diffuseurs.
En pratique, les membranes peuvent être des membranes planes d'ultrafiitration. La surface membranaire utilisée est voisine de la surface membranaire théorique calculée pour que le flux de perméation soit inférieur au flux subcritique, par exemple 15 LMH.
Plus précisément, elles peuvent être constituées en plaques planes rectangulaires à parois externes filtrantes et volume intérieur creux, fixées l'une à l'autre au voisinage de leurs coins par un système maintenant leur distance de séparation e et comportant un dispositif tenseur de chaque membrane.
Elles sont orientées parallèlement en face d'une part d'un grand côté du réservoir et d'autre part de la paroi intermédiaire de séparation, ou entre deux parois intermédiaires dans la configuration à trois colonnes. Le flux d'effluents circulant entre les membranes, traité par les bactéries du milieu liquide oxygénées par les bulles émises par le diffuseur situé en bas de la colonne, est sensiblement laminaire. La filtration se fait par conséquent de manière tangentielle, ce qui rend essentiel l'existence des flux d'air qui aident à la circulation des boues dans les colonnes selon une direction suivant sensiblement leur axe.
Les plaques sont maintenues à distance l'une de l'autre dans chaque coin par des rondelles formant entretoise, un orifice circulaire pratiqué dans chaque coin de chaque membrane formant avec ies ouvertures centrales circulaires des rondelles un canal dans lequel est inséré un arbre rotatif muni, dans ledit canal, d'un excentrique. Selon sa position, l'excentrique situé dans chaque coin est amené à tendre, en coopération avec les excentriques situés dans ies trois autres coins, toutes les plaques membranaires en même temps.
Pius précisément, dans l'hypothèse d'un réservoir à deux colonnes, l'arbre portant l'excentrique relie les deux grands côtés du réservoir, et son extrémité située dans la coionne dépourvue de membranes est munie d'une butée d'amortissement. Ledit arbre comporte par ailleurs des moyens de blocage de l'excentrique en position de tension de chaque membrane.
Ces moyens de blocage de l'excentrique peuvent par exemple consister en un écrou placé sur l'arbre au voisinage de la paroi intermédiaire, côté colonne sans membranes. Une collerette crantée dépassant radialement dudit arbre au voisinage de ladite paroi, côté colonne à filtre membranaire, est déplacée au contact d'une couronne ou zone crantée solidaire de ladite paroi par serrage de l'écrou vers et au contact de la cloison.
Un outil, qui peut être une simpie tige actionnable de l'extérieur, insérable dans un orifice traversant transversalement l'arbre, permet d'opérer la rotation de l'arbre de manière à tendre les plaques membranaires.
Les membranes sont par ailleurs reliées à un moyeu central constitué d'entretoises à orifice central formant avec des ouvertures coaxiales de même forme des membranes un collecteur d'évacuation du iiquide filtré, d'allure perpendiculaire aux membranes, obturé à ses extrémités par des flasques dont l'un repose sur une première extrémité du moyeu et l'autre repose sur une face de la paroi intermédiaire opposée à celle sur laquelle repose le moyeu. Les deux flasques sont fixés l'un à l'autre de façon à comprimer de manière réglable le moyeu. Ces entretoises, tout comme les rondelles des systèmes appliqués aux coins des plaques membranaires, présentent une épaisseur e correspondant à la distance d'écartement entre membranes. On rappelle que cette distance est également celle qui est respectée entre les deux membranes d'extrémité et les parois qui leur font face, de manière à ne privilégier aucun axe d'écoulement pour les effluents à traiter, qui auraient pour effets une filtration non homogène, la coalescence de fines bulles en grosses bulles, des vitesses de circulation des boues non homogène et la création de potentielles zones mortes.
Le conduit d'aspiration de l'eau filtrée est fixé au flasque reposant contre la paroi intermédiaire et connecté au collecteur. Les flasques sont par exemple vissées par une vis dont la tôte repose sur un des flasques et qui est vissée dans l'autre flasque, ce qui permet un réglage de la compression de l'ensemble.
Le conduit d'entrée des eaux usées débouche en fait dans la partie supérieure du réservoir, au-dessus du passage supérieur, et présente un diamètre intérieur inférieur à 50 mm. Le bioréacteur est en pratique placé, dans le circuit hydraulique, en aval d'un dispositif qui empêche le passage d'objets étrangers, susceptibles d'endommager les membranes de filtration. Le réservoir comporte par ailleurs un conduit de vidange qui débouche en sa partie basse, dont le tronçon supérieur pénètre dans le réservoir par le haut et présente un diamètre au moins égal à 20 mm. Le tronçon Inférieur, localisé au niveau d'un des diffuseurs, comporte une section progressivement aplatie avec un orifice de sortie d'allure rectangulaire de surface sensiblement équivalente à celle du tronçon supérieur. Il doit être possible de vider ledit réservoir en quelques minutes, ce qui exige une certaine surface de section pour ledit conduit. Du fait de la place limitée en partie basse et pour assurer un écoulement hydraulique homogène, à cause notamment de l'encombrement des diffuseurs, la section du tuyau doit y être adaptée comme mentionné ci-dessus.
Selon une possibilité, les membranes sont des membranes d'uitrafiltratlon de porosité de 0,04 μm ou à seuil de coupure (MWCO) correspondant à un poids moléculaire de 150 kDa. Elles peuvent être en polyester sulfone PES.
De manière très générale, l'invention est conçue pour des volumes de réservoir qui sont de l'ordre de 50 à 300 litres : plus précisément, une hauteur comprise entre 50 et 200 cm, pour une épaisseur de 15 cm à 40 cm et une largeur de l'ordre de celle des membranes (voir ci-après).
Ce volume est compatible avec les contraintes initialement posées, à savoir la création d'un produit mobile compact, doté d'une haute concentration de bactéries et disposant d'une autonomie de plusieurs mois.
L'invention va à présent être décrite en référence aux dessins annexés, pour lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique en section d'un réservoir â deux colonnes du dispositif bioréacteur à membrane ;
- la figure 2 représente, en vue perspective, ies différents équipements dudtt réservoir ;
- la figure 3 montre en vue schématique en section le système de tension des membranes et le collecteur;
- la figure 4 est une vue partielle, de face, d'une membrane tendue à l'aide de tels systèmes ; et
- la figure 5 montre une configuration de réservoir à trois colonnes, représentée très schématiquement.
En référence à la figure 1, le réservoir (1) est divisé transversalement en deux colonnes (2) et (3) par une cloison intermédiaire de séparation (4). Les colonnes sont limitées latéralement par les grandes parois du réservoir (1), parallèles â la cloison (4). La colonne (2) contient le filtre membranaire (5), constitué d'un ensemble de plusieurs membranes (6) parallèles (en réalité des membranes en plaques de faible épaisseur, de l'ordre de 3 mm) maintenues à la même distance e les unes des autres. Les deux membranes (6) d'extrémité sont d'ailleurs à la môme distance e de la paroi extérieure du réservoir (1) d'une part et de la paroi intermédiaire de séparation (4) d'autre part. Le filtre à membranes (5) comprend un collecteur (7) par lequel s'évacue l'eau filtrée par les membranes (6) via un orifice pratiqué dans celles-ci. Ce collecteur (7) est relié à un conduit de sortie (8) ramenant l'eau filtrée dans un circuit hydraulique dont fait partie le dispositif de traitement d'eaux usées de l'invention, par exemple une boucle de recyclage des eaux usées de toilettes, en amont du réservoir de la chasse d'eau. Pour assurer une évacuation correcte de l'eau filtrée, ce conduit (8) débouche dans une pompe de permêation (non représentée) qui recircule le liquide filtré par exemple vers ledit réservoir de chasse d'eau, ou un autre dispositif de post traitement, ou encore vers le milieu naturel.
La figure 1 montre également les tuyaux (9, 10) d'alimentation en air de deux diffuseurs (11, 12) situés en partie basse des colonnes (2, 3) du réservoir (1 ), et reliées en amont à des pompes (non représentées) ainsi que la conduite d'amenée (36) des eaux usées à traiter. Les passages supérieur (13) et inférieur (14) permettent d'assurer la circulation des boues dans une boucle interne au réservoir (1 ).
Outre les équipements apparaissant en figure 1 , à savoir les diffuseurs (11) et (12) et leurs conduits d'alimentation en air (9) et (10), le filtre à membranes (5) et son conduit d'aspiration (8), et enfin le conduit d'amenée des effiuents à traiter (36), les éléments suivants, visibles en figure 2, sont également présents dans le réservoir : un conduit de vidange (37) et une plaque (15) pour les connexions rapides des tuyaux externes prolongeant les différents conduits précités.
Pour assurer leur fonctionnement correct, les membranes (6) du filtre à membranes (5) doivent être tendues, notamment en vue de préserver entre elles, en tout endroit de leur surface, le môme écartement e et donc d'assurer un écoulement le plus homogène possible des boues, sans privilégier de passages mais sans introduire de pertes de charge non plus. Le dispositif tenseur se situe à chaque coin du filtre membranaire (5), et est basé sur un excentrique (18) (voir en particulier en figure 3). Plus précisément, les membranes (6) sont séparées par des rondelles (19) formant entretoise et entourant une portion formant excentrique (18) d'un arbre (20) rejoignant les grands côtés du réservoir (1). Ladite portion excentrique (18) de l'arbre (20) n'a lieu d'être qu'au niveau des membranes (6), comme cela est particulièrement visible en les figures 3 et 4. En pratique, les orifices circulaires qui apparaissent dans chaque coin de chaque membrane (6) sont coaxiaux aux ouvertures circulaires des rondelles (19), créant ensemble un canal dans lequel l'arbre rotatif (20), ou plus précisément son excentrique (18) peuvent tourner. L'une des extrémités de l'arbre (20) comporte un téton (21 ) qui s'appuie sur l'une des parois ou grand côté du réservoir (1) (non représentée). L'autre extrémité de l'arbre (20) comporte une butée d'amortissement (22) qui repose contre l'autre paroi du réservoir (1). Cette butée (22) sert en particulier à amortir les chocs et vibrations qui pourraient affecter le réservoir notamment lorsqu'il est placé en conditions réelles dans du matériel roulant.
L'arbre (20) comporte par ailleurs un orifice (23) transversal dans lequel un outil allongé peut être insérable pour imprimer une rotation à l'arbre (20) dans le but de tendre et bloquer les membranes (6) du filtre à membranes (5), comme cela est montré à la figure 4 lorsque les portions formant excentrique (18) sont écartées les unes des autres.
Un écrou (25) se déplace sur l'arbre (20) lorsqu'on le serre en direction de la paroi intermédiaire (4), contribuant à plaquer une couronne ou zone crantée (28) solidaire de la paroi intermédiaire (4) à une collerette crantée (27) dépassant radialement de l'arbre (20), et donc à bloquer l'ensemble en position tendue des membranes (6), comme cela résulte des figures 3 et 4. Les membranes (6) du filtre membranaire (5) y sont bien tendues, prêtes à l'emploi.
Le maintien à distance des différentes membranes (6) à l'aide des rondelles (19) situées aux quatre coins du filtre à membranes (5) est répété avec une solution similaire au niveau du collecteur (7), comme cela résulte de la figure 3. En fait, à cet endroit, le collecteur (7) est également constitué d'une succession d'entretoises (28) du type rondelles dont l'orifice central forme avec des ouvertures coaxiales pratiquées dans les différentes membranes (6) un collecteur (7) d'évacuation du liquide filtré dans les plaques membranaires (6) (symbolisé par des flèches). Ces entretoises (28) ont la même épaisseur que les rondelles (19), et elles maintiennent, à l'intérieur du filtre membranaire, le même écartement e entre les membranes (6) adjacentes que les rondelles de coin (19). L'eau filtrée s'écoule dans le collecteur (7) par les chants des ouvertures pratiquées dans les membranes (6).
Deux flasques (29, 30) obstruent les deux extrémités du collecteur (7), et sont reliés par une vis (31 ) reposant dans un évidement (32) du flasque (29) alors que l'extrémité filetée est en prise dans un orifice fileté (33) du flasque (30). Le fiasque (30) présente un conduit d'aspiration (35) relié au tuyau de sortie (8) véhiculant l'eau filtrée vers ie circuit hydraulique auquel appartient le dispositif de traitement à bioréacteur à membranes de l'invention. Dans ce cas d'utilisation précis, la pompe de perméation qui est disposée en aval (non représentée) est capable de gérer un débit de l'ordre de 90 L/h. En réalité, le dispositif est dimensionné pour assurer la gestion de 15 à 20 L d'eaux usées par heure, correspondant à entre 15 et 20 fonctionnements d'une chasse d'eau (environ 0,45 L d'eau + 0,3 L d'urine contenant les matières fécales et les papiers toilettes dissous à chaque fois), et la pompe est donc largement dimensionnée à cet égard. Dans d'autres cas d'utilisations, les volumes et dimensionnements des composants seront en relation avec la quantité des eaux usées à traiter.
On a insisté à plusieurs reprises sur la disposition des membranes (6) du filtre à membranes (5) dans le réacteur (1) en vue d'éviter tout cheminement privilégié des boues qui nuirait au processus global de fïltration. On souligne à nouveau que, dans la dimension transversale de la colonne, la même épaisseur e est préservée entre toutes les membranes (6) ainsi qu'entre les membranes (6) et la paroi externe du réservoir (1) d'une part, et la paroi intermédiaire de séparation (4) d'autre part. Dans la largeur (non représenté), c'est-à-dire sur les côtés latéraux des membranes (6), il convient cependant également de s'assurer que les effluents ne peuvent pas passer via un couloir privilégié. C'est la raison pour laquelle lesdites membranes (6) s'étendent jusqu'à proximité immédiate des petits côtés du réservoir (1).
Ces membranes peuvent présenter une surface jusqu'à de l'ordre de 6 m2. Selon une possibilité, le conduit d'alimentation (36) en eaux usées, d'un diamètre intérieur de l'ordre de 47 mm, en tout état de cause inférieur à 50 mm, débouche dans la partie supérieure du réservoir (1), de préférence au-dessus du niveau des boues afin de réaliser une rupture hydraulique, évitant toute possibilité d'un siphonage. Le tuyau de vidange (37) débouche en partie basse et, pour être doté d'une section suffisamment importante pour permettre une vidange rapide, sa partie supérieure présente un diamètre de l'ordre de 22 mm ou plus, tandis que sa partie inférieure, localisée au niveau d'un diffuseur et disposant de moins d'espace, est aplatie avec une section de sortie d'allure rectangulaire par exempte de l'ordre de 24 mm x 9 mm.
La figure 5 représente très schématiquement un réservoir (1) à trois colonnes adjacentes (2, 2\ 3) séparées par des cloisons (4, 4'), dans lequel deux boucles de circulations des eaux usées (symbolisées par des flèches donnant les directions des flux) cohabitent. Des diffuseurs (11, 11', 12) sont placés au bas des colonnes (2, 2', 3), remplissant la même fonction que dans la version à deux colonnes. Dans une telle configuration, le filtre membranaire (non représenté) est placé en partie supérieure de ta colonne centrale (3) commune aux deux boucles de circulation. Il fonctionne exactement de la môme manière que dans l'hypothèse à deux colonnes, la circulation entre colonnes (2, 2', 3) étant assurée par des passages supérieurs (13, 13') et inférieurs (14, 14').
Les configurations représentées ne sont cependant pas exhaustives de l'invention, qui englobe au contraire des variantes de forme, de matière et de configuration qui sont à la portée de l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée permettant le traitement des eaux grises et des eaux noires, muni d'un conduit d'entrée (36) des effluents à traiter et d'un conduit de sortie (8) d'eau traitée et filtrée relié à une pompe de perméation, caractérisé en ce qu'il comporte un contenant dont le volume intérieur compris entre 50 L et 300 L est d'allure parallélépipédique à deux grands côtés latéraux verticaux, formant un réservoir (1) dans lequel la concentration de bactéries varie entre 3 g/L et 30 g/L, divisé en N colonnes (2≤N≤3) délimitées par N-1 paroi(s) (4, 4') intermédiaire(s) verticale(s) de séparation ménageant chacune un passage supérieur (13, 13') et un passage inférieur (14, 14') entre colonnes (2, 2', 3) permettant une circulation entre colonnes (2, 2', 3) des effluents, un filtre membranaire (5) comportant un ensemble de membranes de filtration (6) planes parallèles également d'allure verticale, offrant une surface membranaire comprise entre 1 m2 et 12 m2, étant placé en partie supérieure d'une desdites colonnes (3), fa colonne centrale si N=3, sous le ou les passage(s) supérieur(s) (13, 13'), les membranes (6) étant reliées à un collecteur (7) aval collectant les eaux filtrées et relié au conduit de sortie (8), la pompe de perméation assurant un débit transmembranaire inférieur au flux subcritique, au moins un diffuseur (11, 11", 12) de fines bulles d'air étant placé à la base de chaque colonne (2, 3), chaque diffuseur (11, 11', 12) étant raccordé à une électrovanne de régulation et à des moyens de pompage y assurant un débit d'air au plus égal à 10 Nm3/h par diffuseur.
2. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la direction et le sens des flux d'air émis par les diffuseurs (11, 11', 12) de fines bulles d'air dans leurs colonnes (2, 2', 3) respectives sont identiques, conduisant les diffuseurs (11, 11', 12) de deux colonnes (2, 3) adjacentes à fonctionner en opposition relativement au sens de circulation des effluents, leurs débits d'air étant contrôlés indépendamment.
3. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une même distance transversale e sépare les membranes (6) entre elles d'une part et les membranes d'extrémité (8) et un grand côté ou au moins une cloison médiane d'autre part, les côtés verticaux des membranes étant situés à proximité immédiate des petites côtés du réservoir (1).
4. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les membranes (6) sont des membranes planes d'ultrafiltration, par exemple en polyethersulfone (PES).
5. Dispositif de traitement biologique mobile d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface membranaire utilisée est voisine de la surface membranaire théorique calculée pour que le flux de perméation soit inférieur au flux subcritique, par exemple 15 LMH.
6. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les membranes (6) sont constituées en plaques planes rectangulaires à parois externes filtrantes et volume intérieur creux, lesdites membranes (6) étant fixées l'une à l'autre au voisinage de leurs coins par un système maintenant leur distance de séparation e et comportant un dispositif tenseur de chaque membrane (6).
7. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les plaques sont maintenues à distance l'une de l'autre dans chaque coin par des rondelles (19) formant entretoise, un orifice circulaire pratiqué dans chaque coin de chaque membrane formant avec les ouvertures centrales circulaires des rondelles (19) un canal dans lequel est inséré un arbre (20) rotatif muni, dans ledit canal, d'un excentrique (18).
8. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, dans l'hypothèse d'un réservoir (1) à deux colonnes (2, 3), l'arbre (20) portant l'excentrique (18) relie les deux grands côtés du réservoir (1), son extrémité située dans la colonne (2) dépourvue de membranes (6) étant munie d'une butée d'amortissement (22), ledit arbre (20) comportant des moyens de blocage de l'excentrique (18) en position de tension de chaque membrane (6).
9. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de blocage de l'excentrique (18) consistent en un écrou (25) placé sur l'arbre (20) au voisinage de la paroi intermédiaire (4), côté colonne (2) sans membranes (6), une collerette crantée (27) dépassant radialement dudlt arbre (20) au voisinage de ladite paroi (4), côté colonne (3) à filtre membranaire (5), étant déplacée au contact d'une couronne ou zone crantée (26) solidaire de ladite paroi (4) par serrage de l'écrou (25) vers et au contact de la cloison (4).
10. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les membranes (6) sont reliées à un moyeu central constitué d'entretoises (18) à orifice central formant avec des ouvertures coaxiales de môme forme des membranes (6) un collecteur (7) d'évacuation du liquide filtré, d'allure perpendiculaire aux membranes (6), obturé à ses extrémités par des flasques (29, 30) dont l'un (29) repose sur une première extrémité du moyeu et l'autre (30) repose sur une face de la paroi intermédiaire (4) opposée à celle sur laquelle repose le moyeu, les deux flasques (29, 30) étant fixés l'un à l'autre en vue de comprimer de manière réglable le moyeu.
11. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le conduit (8) d'aspiration de l'eau filtrée est fixé au flasque (30) reposant contre la paroi intermédiaire (4) et connecté au collecteur (7).
12. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon l'une des revendications 10 et 11 , caractérisé en ce que les flasques (29, 30) sont fixés par une vis (31 ) dont la tête repose sur un des flasques (29) et qui est vissée dans l'autre flasque (30).
13. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit d'entrée (36) des effluents débouche dans la partie supérieure du réservoir (1), au-dessus du passage supérieur (13, 13'), et présente un diamètre intérieur inférieur à 50 mm.
14. Dispositif mobile de traitement biologique d'eaux usées du type à bioréacteur à membrane immergée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit de vidange (37) qui débouche en partie basse du réservoir (1), dont le tronçon supérieur pénètre dans le réservoir par le haut et présente un diamètre au moins égal à 20 mm, le tronçon inférieur localisé au niveau d'un des diffuseurs (11, 11', 12) comportant une section progressivement aplatie avec un orifice de sortie d'allure rectangulaire de surface sensiblement équivalente à celle du tronçon supérieur.
PCT/FR2015/053696 2014-12-23 2015-12-21 Dispositif mobile de traitement biologique des eaux usées du type à bioréacteur WO2016102872A1 (fr)

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