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WO2007063198A1 - Procede et installation de traitement d'effluents charges en micro-organismes. - Google Patents

Procede et installation de traitement d'effluents charges en micro-organismes. Download PDF

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WO2007063198A1
WO2007063198A1 PCT/FR2006/002544 FR2006002544W WO2007063198A1 WO 2007063198 A1 WO2007063198 A1 WO 2007063198A1 FR 2006002544 W FR2006002544 W FR 2006002544W WO 2007063198 A1 WO2007063198 A1 WO 2007063198A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
treatment
bioreactor
solid
mixed liquor
microorganisms
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2006/002544
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English (en)
Inventor
Chrystelle Langlais
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suez International SAS
Original Assignee
Degremont SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Degremont SA filed Critical Degremont SA
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C02F3/12—Activated sludge processes
    • C02F3/1236—Particular type of activated sludge installations
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the invention relates to a process for the treatment of effluents charged with microorganisms, pathogenic or not, using a membrane bioreactor performing biological purification with a suitable biomass, and separation by filtration on membrane membranes. said biomass and treated effluent.
  • This process can be used with any effluent requiring biological treatment, including surface water, seawater, urban wastewater and industrial effluents.
  • the membranes used in membrane bioreactors are micro-, ultra-, nanofiltration or even reverse osmosis membranes.
  • the membranes can be integrated in the or one of the biological reactors (in the case of submerged membranes, or integrated system). According to another possibility, the membranes constitute an entity exclusively dedicated to filtration (so-called separate or external system). In this case the membranes are either immersed in a pool exclusively dedicated to filtration (submerged membranes), or assembled on a block (or skid) filtration (crankcase membranes).
  • the medium contained in the bioreactor is generally designated by the expression "mixed liquor”, and consists of a liquid phase called “interstitial liquid” and a solid phase consisting of the purifying biomass composed of flocs.
  • Membranes constitute real physical barriers, and membrane filtration induces, intrinsically, a phenomenon of concentration within the bioreactor of little or no biodegradable materials present in the effluent to be treated.
  • the materials thus retained and concentrated within the bioreactor are, for example, suspended materials such as fibrous waste as envisaged in WO 03/002468.
  • the invention is related to the illumination of a problem in the case of the treatment of effluents loaded with microorganisms, pathogenic or not, by such membrane bioreactors. It was generally thought that the microorganisms present in the effluents were mainly bound to the purifying biomass and were in the solid phase of the mixed liquor of the bioreactor. Contrary to this opinion, certain microorganisms, pathogenic or not, can be found essentially in the interstitial fluid of the "mixed liquor". However, the mixed liquor, and therefore the interstitial liquid, are subjected to aeration phases during which air bubbles are blown into the bottom of the bioreactor. Such air bubbles bursting on the liquid surface of the bioreactor can cause bioaerosols. If the interstitial fluid becomes heavily loaded with microorganisms, especially pathogens, bioaerosol from such a liquid may constitute a health and environmental risk depending on the level of contamination in microorganisms.
  • the invention aims, above all, to provide a solution to this problem, and to control levels of contamination pathogenic microorganisms or not in the interstitial liquid of a mixed liquor of a membrane bioreactor.
  • the method for treating effluents, in particular water, loaded with microorganisms, pathogenic or not, using a membrane bioreactor is characterized in that, in order to reduce the level of concentration of microorganisms in the bioreactor, a bioreactor mixed liquor treatment loop is established, which treatment comprises:
  • the mixed liquor flow rate subjected to the disinfection treatment being determined to at least cancel the phenomenon of concentration of microorganisms intrinsic to the bioreactor
  • the concentration of MES (suspended solids) in the liquid phase is preferably less than 0.5 g / L.
  • the processing loop may be independent and exclusively dedicated to the purpose of the present invention.
  • the treatment loop may be disposed in a branch on an existing recirculation line of the mixed liquor between a filtration cell and a biological reactor.
  • the treatment loop may comprise a sludge treatment station comprising the solid / liquid separation step followed, for the solid phase, of a sludge reduction reduction treatment step.
  • the solid phase consisting in particular of the purifying biomass, can be returned to the bioreactor without further treatment.
  • the solid phase can undergo a conventional treatment called reduction of RPB sludge production.
  • RPB treatment consists, for example, of applying biomass to physical and / or mechanical, and / or chemical, and / or biological, and / or thermal stress to stimulate cell lysis of the scavenger biomass for the purpose of reducing sludge production.
  • the solid fraction can be restored, in whole or in part, in the bioreactor after the so-called "stress" or "solubilization” treatment phase.
  • This RPB treatment can induce partial hygienization of biological sludge.
  • the cut-off threshold for the solid / liquid separation step is at least 0.1 ⁇ m; the particles whose size is below the cut-off point, in particular 0.1 ⁇ m, are maintained in the liquid phase.
  • the solid / liquid separation step may be carried out by any means implementing a known method, for example: sieving, flotation, centrifugation, decantation, filtration on canvas, separation on membrane, provided that the target microorganisms are maintained in the liquid phase of the solid / liquid separation.
  • the disinfection treatment of the liquid phase can implement any known method in particular:
  • UV ultraviolet, ultrasound, pressure shock, and / or
  • any non-oxidizing or oxidizing biocide such as chlorine, ozone, chlorine dioxide, and / or
  • the choice of treatment will be made on a case by case basis depending on the sensitivity to said treatment of the target microorganism (s) concerned.
  • the invention also consists of an effluent treatment plant, in particular of water, loaded with microorganisms, pathogenic or not, comprising a membrane bioreactor, characterized in that it comprises, to reduce the level of concentration.
  • a bioreactor mixed liquor treatment loop comprising:
  • a solid / liquid separation means with a chosen cutoff threshold such that the microorganisms, in particular those targeted by the treatment, remain in the liquid phase, whereas the purifying biomass remains in the solid phase,
  • Fig. 1 is a diagram of an effluent treatment plant loaded with microorganisms implementing a method according to the invention.
  • FIG. 2 is a diagram of a variant of the installation and FIG. 3 is a diagram of another variant of the installation.
  • FIG. 1 the diagram of a biological purification plant, of the separated or external system type, comprising a bioreactor R formed by the assembly of a biological reactor 1 and a filtration cell 2 constituted by a dedicated basin filtration in which membranes are immersed 3.
  • the raw effluent to be treated arrives via a pipe 4 in the biological reactor 1.
  • the treated effluent is constituted by the permeate leaving the membranes 3 and discharged through an outlet pipe 5.
  • the biological reactor 1 comprises, in the usual way, a suitable biomass, formed of bacteria, to ensure a biological purification of the raw effluent.
  • Aeration means 6, in particular constituted by perforated tubes, are provided in the bottom of the reactor 1 to allow oxygen to be blown, for example in the form of air bubbles, into the reactor.
  • the medium (not shown) contained in the bioreactor R constitutes a mixed liquor comprising a liquid phase called "interstitial liquid", and an essentially solid phase constituted by the purifying biomass composed of flocs, that is to say bulky flakes and decanted.
  • the mixed liquor filtration cell 2 is fed by a connecting line 7 between the reactor 1 and the cell 2.
  • Aeration means 8 are provided in the bottom of the filtration cell 2. These means 8 are constituted for example by perforated tubes for blowing air bubbles into the cell 2.
  • the filtration cell 2 is shown separately from the biological reactor 1.
  • the cell 2 could be located inside the reactor 1.
  • several filter cells 2 could be provided.
  • An outlet 9 disposed in the bottom of the filtration cell 2 is connected to a recirculating branch 10 of the mixed liquor in the reactor 1.
  • line 11 leaving the branch 10 can extract biological sludge produced in excess at a flow rate Qw.
  • the permeate leaving the line 5 is freed, depending on the type of membrane, not only of suspended materials such as fibrous waste, colloids, salts, but also micro -organisms including both fungi, protozoa, helminths, viruses and prions.
  • microorganisms are found mainly in the interstitial liquid, constituting the liquid phase of the mixed liquor, and not in the biomass of this same mixed liquor.
  • a treatment loop B of the mixed liquor is established, this treatment in the loop comprising: a solid / liquid separation step using a solid / liquid separation means 12 with a chosen cutoff threshold such that the microorganisms remain in the liquid phase L, whereas the purifying biomass remains in the solid phase S,
  • the mixed liquor flow rate subjected to the disinfection treatment being determined to at least cancel the intrinsic or physical microorganism concentration phenomenon in the bioreactor
  • a line 13 makes it possible to withdraw the mixed liquor at the bottom of the cell 2 to bring it to the solid / liquid separation means 12.
  • the solid fraction S can be returned without treatment to the reactor 1 via a return line 14.
  • the liquid fraction L consisting of the interstitial fluid containing the microorganisms, is directed by a line 15 on a means 16 of disinfection-sterilization.
  • concentration of MES (suspended solids) in the liquid fraction is preferably less than 0.5 g / L.
  • the cut-off threshold of the separation means 12 is advantageously at least 0.1 ⁇ m, so that the particles, in particular the microorganisms, whose size is smaller than this cutoff threshold, remain in the liquid phase L directed to the disinfection-sterilization means 16. It can also be said that the retention size of the separation means 12 is at least 0.1 ⁇ m, so that particles larger than 0.1 ⁇ m are retained. with the solid phase.
  • the separation means 12 can implement any known method, for example: sieving, flotation, centrifugation, decantation, filtration on canvas, separation on membrane, provided the targeted microorganisms are maintained in the liquid phase L discharged by the pipe 15.
  • the means 16 for the disinfection treatment of the liquid phase can implement any known method, in particular:
  • UV ultraviolet rays UV ultraviolet rays, ultrasound, pressure shock and / or
  • any non-oxidizing or oxidizing dioxide such as chlorine, ozone, chlorine dioxide, and / or
  • biological treatment such as enzymatic oxidation or hydrolysis, and / or heat treatment.
  • the disinfected liquid phase is returned via a pipe 17 to the reactor 1.
  • the raw effluent to be treated arrives via the pipe 4 in the reactor 1 to undergo the treatment exerted by the bacteria of the biomass.
  • the mixed liquor passes into the filtration cell 2; the permeate is extracted from the membranes 3 by line 5 and constitutes the treated effluent.
  • This treated effluent generally water is substantially 1 free of microorganisms because the cutoff of the filtration membrane 3 is of the order of 40 nm (nanometers) to 10 nm, below the microorganisms dimensions.
  • a fraction of the mixed liquor is recirculated in the reactor 1 by the pipe 10, while a flow Qw of biological sludge produced in excess is extracted through the pipe 11.
  • a fraction of the mixed liquor extracted via the pipe 13 is sent to the separation means 12.
  • the solid phase S coming from the separation means 12 is returned to the reactor 1.
  • the targeted microorganisms remain in the liquid phase L and are evacuated through line 15 to medium 16 of disinfection-sterilization of liquid phase.
  • the treatment loop B is independent of the recirculation 9, 10 of the mixed liquor, that is to say that the loop B does not have common routing and processing means with the recirculation loop.
  • a treatment loop B1 is advantageously disposed in branch on the existing recirculation line 10 of the mixed liquor.
  • a pipe 18 is connected to the pipe 10 to bring the separation means 12 a fraction of the mixed liquor.
  • Fig. 3 illustrates another variant according to which the processing loop B2 comprises a station E sludge treatment.
  • the station E comprises the solid / liquid separation means 12a disposed on the pipe 11 for discharging excess biological sludge, and a station E1 for RPB treatment of the solid fraction from the means 12a, and discharged after RPB treatment by a pipe 19.
  • the treated solid fraction leaving the line 19 may be returned wholly or partly to the biological reactor 1.
  • the liquid fraction from the separation means 12a is directed through line 15 to the disinfection means 16, and then is returned by the pipe 17 at the top of the biological reactor 1.
  • the operation of the means 12, 12a and 16 of an installation according to the invention may be continuous or discontinuous depending on the health risk identified.
  • a discontinuous operation can be achieved, for example, by providing a valve on line 13 or 18; when the valve is closed the disinfection-sterilization treatment is not implemented.
  • the determination of the mixed liquor flow rate to be subjected to the disinfection treatment can be carried out as follows.
  • y the ratio of the flow Qconvergesinf. mixed liquor directed to the disinfection treatment, the Qalim flow of effluent to be treated arriving via the pipe 4.
  • y Qdisinf / Qalim.
  • SRT or sludge age
  • SRT is equal to the quotient of the biomass volume, ie the reactors 1 + 2, expressed in m 3 , by the flow rate Qw expressed in m 3 / h of sludge extracted by the pipe 11.
  • the volume concentration factor FCV in microorganisms between the effluent to be treated and the interstitial liquid is given by the following relation:
  • the invention makes it possible to apply the disinfection treatment to a phase
  • Another advantage of the present invention is that it does not necessarily imply a stress of the purifying biomass which can result in a deterioration of the quality of the interstitial fluid and the excretion of exopolymers capable of inducing membrane clogging. .
  • the invention also makes it possible to avoid stimulating the cell lysis of the microorganisms producing a release of biological materials in the reaction medium and reducing the filtration capacity of the membranes.
  • the first example concerns a small community (tourist complex) of 3500 inhabitants whose effluents are treated by Membrane bioreactor, whose effluent is quite representative of the average quality of an urban effluent, namely:
  • the operating parameters of the membrane bioreactor are as follows:
  • cysts are concentrated in the bioreactor by a factor of about 84 (SRT / HRT), that is:
  • a skid (block) flotation is implemented according to the present invention to extract 12m 3 / h of interstitial fluid from the mixed liquor of the bioreactor, the equivalent of 50 to 55% of the average flow rate treated by the station.
  • This interstitial liquid is subjected to an ozonation treatment.
  • This waste effluent is treated using a membrane bioreactor whose operating parameters are: Average flow: 1500 m 3 / d
  • the average Salmonella concentration in the raw fluff is
  • NPP means "most probable number”.
  • the theoretical concentration factor is 85.7, which is a theoretical interstitial fluid concentration of 3.85 ⁇ 10 7 NPP / 10OmL.
  • the concentration of salmonella observed in the interstitial fluid would be about
  • the health objective related to the implementation of the present invention is to maintain within the interstitial liquid a concentration at most equal to that of the raw effluent in order to cancel the concentration effect related to the use of the membranes. .
  • Said interstitial liquid is then subjected to a UV disinfection treatment.
  • the salmonella contamination rate of the bioreactor interstitial fluid would then have stabilized at a level of 4.3.10 5 NPP / 100mL, equivalent to the level of the raw effluent to be treated. in accordance with the objective set. Under these conditions, the health risk related to the rate of contamination of the interstitial fluid is not higher locally than that induced by the contamination of the raw effluent.
  • the present invention makes it possible to perfectly control the concentration effect initially induced by the use of the membranes.

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Abstract

Procédé de traitement d'effluents, en particulier d'eaux, chargés en micro-organismes, pathogènes ou non, à l'aide d'un bioréacteur (R) à membranes effectuant une épuration biologique avec une biomasse adaptée, selon lequel, pour réduire le niveau de concentration en micro-organismes dans le bioréacteur, on établit une boucle de traitement (B) de la liqueur mixte du bioréacteur, lequel traitement comprend une étape de séparation solide/liquide (12) avc un seuil de coupure choisi tel que les micro-organismes, notamment ceux ciblés par le procédé, demeurent dans la phase liquide (L), alors que la biomasse épuratrice reste dans la phase solide (S); un traitement de désinfection et/ou de stérilisation (D) de la phase liquide, et une restitution de la phase liquide ainsi traitée dans le bioréacteur.

Description

A
PROCEDE ET INSTALLATION DE TRAITEMENT D'EFFLUENTS CHARGES EN MICRO-ORGANISMES.
L'invention est relative à un procédé de traitement d'effluents chargés en micro-organismes, pathogènes ou non, à l'aide d'un bioréacteur à membranes effectuant une épuration biologique avec une biomasse adaptée, et une séparation par filtration sur membranes de ladite biomasse et de l'effluent traité.
Ce procédé peut être utilisé avec tout effluent nécessitant un traitement biologique, notamment des eaux de surface, des eaux de mer, des effluents résiduaires urbains et des effluents résiduaires industriels.
Les membranes mises en œuvre dans les bioréacteurs à membranes sont des membranes de micro-, ultra-, nanofiltration, voire d'osmose inverse.
Les membranes peuvent être intégrées dans le ou l'un des réacteurs biologiques (cas des membranes immergées, ou système intégré). Selon une autre possibilité, les membranes constituent une entité exclusivement dédiée à la filtration (système dit séparé ou externe). Dans ce cas les membranes sont ou bien immergées dans un bassin exclusivement dédié à la filtration (membranes immergées), ou assemblées sur un bloc (ou skid) de filtration (membranes en carter). Le milieu contenu dans le bioréacteur est généralement désigné par l'expression « liqueur mixte », et est constitué d'une phase liquide appelée « liquide interstitiel » et d'une phase solide constituée par la biomasse épuratrice composée de flocs.
Les membranes constituent de véritables barrières physiques, et la filtration sur membrane induit, de façon intrinsèque, un phénomène de concentration au sein du bioréacteur de matières peu ou pas biodégradables présentes dans l'effluent à traiter. En fonction du seuil de coupure de la membrane, les matières ainsi retenues et concentrées au sein du bioréacteur sont, par exemple, des matières en suspension telles que des déchets fibreux comme envisagé dans WO 03/002468.
L'invention est liée à la mise en lumière d'un problème dans le cas du traitement d'effluents chargés en micro-organismes, pathogènes ou non, par de tels bioréacteurs à membranes. On pensait, généralement, que les microorganismes présents dans les effluents se fixaient principalement sur la biomasse épuratrice et se trouvaient dans la phase solide de la liqueur mixte du bioréacteur. Contrairement à cette opinion, certains micro-organismes, pathogènes ou non, peuvent se retrouver essentiellement dans le liquide interstitiel de la « liqueur mixte ». Or, la liqueur mixte, et donc le liquide interstitiel, sont soumis à des phases d'aération au cours desquelles des bulles d'air sont insufflées dans le fond du bioréacteur. De telles bulles d'air en éclatant à la surface du liquide du bioréacteur peuvent être à l'origine de bioaérosols. Si le liquide interstitiel devient très chargé en micro-organismes, notamment pathogènes, le bioaérosol issu d'un tel liquide peut constituer un risque sanitaire et environnemental selon le niveau de contamination en micro-organismes.
L'invention a pour but, surtout, d'apporter une solution à ce problème, et de maîtriser les niveaux de contamination en micro-organismes pathogènes ou non dans le liquide interstitiel d'une liqueur mixte d'un bioréacteur à membranes.
Selon l'invention, le procédé de traitement d'effluents, en particulier d'eaux, chargés en micro-organismes, pathogènes ou non, à l'aide d'un bioréacteur à membranes est caractérisé en ce que, pour réduire le niveau de concentration en micro-organismes dans le bioréacteur, on établit une boucle de traitement de la liqueur mixte du bioréacteur, lequel traitement comprend :
- une étape de séparation solide/liquide avec un seuil de coupure choisi tel que les micro-organismes, notamment ceux ciblés par le procédé, demeurent dans la phase liquide, alors que la biomasse épuratrice reste dans la phase solide,
- un traitement de désinfection et / ou de stérilisation de la phase liquide, le débit de liqueur mixte soumis au traitement de désinfection étant déterminé pour au moins annuler le phénomène de concentration en micro-organismes intrinsèque au bioréacteur,
- et une restitution de la phase liquide ainsi traitée dans le bioréacteur.
La concentration en MES (matières en suspension) dans la phase liquide est de préférence inférieure à 0.5 g/L.
La boucle de traitement peut être indépendante et exclusivement dédiée à l'objectif de la présente invention.
En variante, dans le cas d'un système séparé, la boucle de traitement peut être disposée en dérivation sur une conduite de recirculation existante de la liqueur mixte entre une cellule de filtration et un réacteur biologique.
La boucle de traitement peut comporter un poste de traitement des boues comprenant l'étape de séparation solide/liquide suivie, pour la phase solide, d'une étape de traitement de réduction de production de boues.
La phase solide, constituée notamment par la biomasse épuratrice, peut être restituée au bioréacteur sans traitement complémentaire.
En variante, la phase solide peut subir un traitement classique dit de réduction de production de boues RPB. Le traitement RPB consiste, par exemple, à appliquer à la biomasse un stress physique et/ou mécanique, et/ou chimique, et/ou biologique, et/ou thermique en vue de stimuler la lyse cellulaire de la biomasse épuratrice à des fins de réduction de production de boues. Dans ce cas, la fraction solide peut être restituée, en tout ou partie, dans le bioréacteur après la phase de traitement dite de « stress » ou de « solubilisation ». Ce traitement RPB peut induire une hygiénisation partielle des boues biologiques.
De préférence, le seuil de coupure pour l'étape de séparation solide/liquide est d'au moins 0,1 μm ; les particules dont la taille est inférieure au seuil de coupure, en particulier 0,1 μm, sont maintenues dans la phase liquide. L' étape de séparation solide / liquide peut être réalisée par tout moyen mettant en œuvre un procédé connu, par exemple : tamisage, flottation, centrifugation, décantation, filtration sur toile, séparation sur membrane, sous réserve de maintenir les micro-organismes ciblés dans la phase liquide de la séparation solide / liquide. Le traitement de désinfection de la phase liquide peut mettre en œuvre tout procédé connu en particulier :
- traitement physique ou mécanique : UV, ultrasons, choc de pression, et/ou
- traitement chimique : tout biocide non oxydant ou oxydant tel que le chlore, l'ozone, bioxyde de chlore, et/ou
- traitement biologique tel que l'oxydation ou l'hydrolyse par voie enzymatique, et/ou
- traitement thermique.
Le choix du traitement se fera au cas par cas en fonction de la sensibilité audit traitement du ou des micro-organismes cibles concernés.
L'invention consiste également en une installation de traitement d'effluents, en particulier d'eaux, chargés en micro-organismes, pathogènes ou non, comprenant un bioréacteur à membranes, caractérisée en ce qu'elle comprend, pour réduire le niveau de concentration en micro-organismes dans le bioréacteur, une boucle de traitement de la liqueur mixte du bioréacteur comportant:
- un moyen de séparation solide/liquide avec un seuil de coupure choisi tel que les micro-organismes, notamment ceux ciblés par le traitement, demeurent dans la phase liquide, alors que la biomasse épuratrice reste dans la phase solide,
- un moyen de traitement de désinfection et / ou de stérilisation de la phase liquide, - et un moyen de restitution de la phase liquide ainsi traitée dans le bioréacteur.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits en détail avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins :
Fig. 1 est un schéma d'une installation de traitement d'effluents chargés en micro-organismes mettant en œuvre un procédé selon l'invention.
Fig. 2 est un schéma d'une variante de l'installation et Fig. 3 est un schéma d'une autre variante de l'installation.
En se reportant à Fig. 1 on peut voir le schéma d'une installation d'épuration biologique, du type système séparé ou externe, comprenant un bioréacteur R formé par l'ensemble d'un réacteur biologique 1 et d'une cellule de filtration 2 constituée par un bassin dédié à la filtration dans lequel sont immergées des membranes 3.
L'effluent brut à traiter arrive par une conduite 4 dans le réacteur biologique 1. L'effluent traité est constitué par le perméat sortant des membranes 3 et évacué par une conduite de sortie 5.
Le réacteur biologique 1 comporte, de manière usuelle, une biomasse adaptée, formée de bactéries, pour assurer une épuration biologique de l'effluent brut. Des moyens d'aération 6, notamment constitués par des tubes perforés, sont prévus dans le fond du réacteur 1 pour permettre d'insuffler de l'oxygène, par exemple sous forme de bulles d'air, dans le réacteur. Le milieu (non représenté) contenu dans le bioréacteur R constitue une liqueur mixte comprenant une phase liquide appelée « liquide interstitiel », et une phase essentiellement solide constituée par la biomasse épuratrice composée de flocs, c'est-à-dire de flocons volumineux et décantables.
L'alimentation de la cellule de filtration 2 en liqueur mixte est assurée par une conduite de liaison 7 entre le réacteur 1 et la cellule 2. Des moyens d'aération 8 sont prévus dans le fond de la cellule de filtration 2. Ces moyens 8 sont constitués par exemple par des tubes perforés permettant d'insuffler des bulles d'air dans la cellule 2.
Selon Fig. 1, la cellule de filtration 2 est représentée séparée du réacteur biologique 1. En variante, la cellule 2 pourrait être située à l'intérieur du réacteur 1. En outre plusieurs cellules de filtration 2 pourraient être prévues.
Une sortie 9 disposée dans le fond de la cellule de filtration 2 est reliée à une branche 10 de recirculation de la liqueur mixte dans le réacteur 1. Une conduite 11 partant de la branche 10 permet d'extraire des boues biologiques produites en excès selon un débit Qw.
Par suite de l'efficacité des membranes de filtration 3, le perméat sortant par la conduite 5 est débarrassé, selon le type de membrane, non seulement de matières en suspension telles que les déchets fibreux, les colloïdes, les sels, mais aussi des micro-organismes comprenant à la fois les champignons, les protozoaires, les helminthes, les virus et les prions.
Certains de ces micro-organismes se retrouvent essentiellement dans le liquide interstitiel, constituant la phase liquide de la liqueur mixte, et non dans la biomasse de cette même liqueur mixte.
Il en résulte un phénomène de concentration intrinsèque ou physique des micro-organismes dans le liquide interstitiel. Les bulles d'air, insufflées par les moyens d'aération 6 et 8, en s'échappant dans l'atmosphère entraînent des particules du liquide interstitiel sous forme d'un bioaérosol qui peut constituer un risque sanitaire lorsque la concentration en micro-organismes, notamment pathogènes, devient trop importante.
Pour maîtriser le taux de micro-organismes dans le liquide interstitiel, selon l'invention, on établit une boucle de traitement B de la liqueur mixte, ce traitement dans la boucle comprenant : - une étape de séparation solide/liquide à l'aide d'un moyen de séparation solide/liquide 12 avec un seuil de coupure choisi tel que les microorganismes demeurent dans la phase liquide L, alors que la biomasse épuratrice reste dans la phase solide S,
- un traitement de désinfection et/ou de stérilisation D de la phase liquide, le débit de liqueur mixte soumis au traitement de désinfection étant déterminé pour au moins annuler le phénomène de concentration en microorganismes intrinsèque ou physique dans le bioréacteur,
- et une restitution de la phase liquide ainsi traitée dans le bioréacteur, au niveau du réacteur biologique 1. Une conduite 13 permet de prélever la liqueur mixte en fond de la cellule 2 pour l'amener au moyen 12 de séparation solide/liquide. La fraction solide S peut être restituée sans traitement dans le réacteur 1 par une conduite de retour 14.
La fraction liquide L, constituée du liquide interstitiel contenant les micro-organismes, est dirigée par une conduite 15 sur un moyen 16 de désinfection-stérilisation. La concentration en MES (matières en suspension) dans la fraction liquide est de préférence inférieure à 0.5 g/L. Le seuil de coupure du moyen de séparation 12 est avantageusement d'au moins 0,1 μm, de sorte que les particules, notamment les micro-organismes, dont la dimension est inférieure à ce seuil de coupure, demeurent dans la phase liquide L dirigée vers le moyen de désinfection-stérilisation 16. On peut également dire que la taille de rétention du moyen de séparation 12 est d'au moins 0,1 μm, de sorte que les particules d'une taille supérieure à 0,1 μm sont retenues avec la phase solide.
Le moyen de séparation 12 peut mettre en œuvre tout procédé connu, par exemple : tamisage, flottation, centrifugation, décantation, filtration sur toile, séparation sur membrane, sous réserve de maintenir les micro-organismes ciblés dans la phase liquide L évacuée par la conduite 15.
Le moyen 16 pour le traitement de désinfection de la phase liquide peut mettre en œuvre tout procédé connu, notamment :
- traitement physique ou mécanique : rayons ultraviolets UV, ultrasons, choc de pression et/ou
- traitement chimique : tout bioxyde non oxydant ou oxydant tel que le chlore, l'ozone, le bioxyde de chlore, et/ou
- traitement biologique tel que l'oxydation ou l'hydrolyse par voie enzymatique, et/ou - traitement thermique.
La phase liquide désinfectée est renvoyée par une conduite 17 dans le réacteur 1.
Le fonctionnement de l'installation résulte des explications précédentes.
L'effluent brut à traiter arrive par la conduite 4 dans le réacteur 1 pour y subir le traitement exercé par les bactéries de la biomasse. La liqueur mixte passe dans la cellule de filtration 2 ; le perméat est extrait des membranes 3 par la conduite 5 et constitue l'effluent traité. Cet effluent traité, généralement de l'eau est pratiquement1 exempt de micro-organismes car le seuil de coupure des membranes de filtration 3 est de l'ordre de 40 nm (nanomètres) à 10 nm, inférieur aux dimensions des micro-organismes.
Une fraction de la liqueur mixte est recirculée dans le réacteur 1 par la conduite 10, tandis qu'un débit Qw de boues biologiques produites en excès est extrait par la conduite 11.
Une fraction de la liqueur mixte extraite par la conduite 13 est envoyée sur le moyen de séparation 12. La phase solide S provenant du moyen de séparation 12 est renvoyée au réacteur 1. Les micro-organismes ciblés restent dans la phase liquide L et sont évacués par la conduite 15 jusqu'au moyen 16 de désinfection-stérilisation de phase liquide.
L'étape de désinfection-stérilisation étant effectuée exclusivement sur la fraction dite "liquide interstitiel", le rendement de l'opération est élevé.
Par contre, si le traitement de désinfection-stérilisation avait été appliqué directement à l'effluent à traiter arrivant par la conduite 4, les performances de la désinfection auraient été réduites : la pénétration des ultraviolets aurait été très faible, les consommations d'oxydant (chlore, ozone...) auraient été élevées. Par un traitement au niveau de la conduite 4, il serait extrêmement difficile, sinon impossible, d'avoir une action sélective de désinfection ou de stérilisation vis-à-vis de l'oxydation de la pollution organique par exemple. En outre, un traitement de désinfection sur l'effluent arrivant par la conduite 4 ne permettrait pas de contrôler une éventuelle multiplication des microorganismes du liquide interstitiel au sein même du réacteur. Pour de telles raisons, l'efficacité technique et économique d'un tel traitement ne serait pas réaliste industriellement.
Selon la réalisation de Fig. 1 , la boucle de traitement B est indépendante de la recirculation 9, 10 de la liqueur mixte, c'est-à-dire que la boucle B ne comporte pas de moyen d'acheminement et de traitement commun avec la boucle 10 de recirculation. Selon la variante de Fig.2, dans un système séparé qui comprend un réacteur biologique 1, une cellule de filtration sur membrane distincte 2, et une boucle de recirculation 10 de la liqueur mixte entre les deux ouvrages, une boucle de traitement B1 est avantageusement disposée en dérivation sur la conduite de recirculation 10 existante de la liqueur mixte. Pour cela, une conduite 18 est branchée sur la conduite 10 pour amener au moyen de séparation 12 une fraction de la liqueur mixte.
Fig. 3 illustre une autre variante selon laquelle la boucle de traitement B2 comprend un poste E de traitement des boues. Le poste E comprend le moyen 12a de séparation solide/liquide disposé sur la conduite 11 d'évacuation des boues biologiques en excès, et un poste E1 de traitement RPB de la fraction solide issue du moyen 12a, et évacuée après traitement RPB par une conduite 19. La fraction solide traitée, sortant par la conduite 19, peut être restituée, en tout ou partie, au réacteur biologique 1. La fraction liquide issue du moyen de séparation 12a est dirigée par la conduite 15 sur le moyen 16 de désinfection, puis est restituée par la conduite 17 en tête du réacteur biologique 1.
Le fonctionnement des moyens 12, 12a et 16 d'une installation selon l'invention peut être continu ou discontinu selon le risque sanitaire identifié. Un fonctionnement discontinu peut être obtenu, par exemple, en prévoyant une vanne sur la conduite 13 ou 18 ; lorsque la vanne est fermée le traitement de désinfection-stérilisation n'est pas mis en œuvre.
La détermination du débit de liqueur mixte à soumettre au traitement de désinfection peut être effectuée comme suit.
On désigne par « y » le rapport du débit Qdésinf. de liqueur mixte dirigée vers le traitement de désinfection, au débit Qalim d'effluent à traiter arrivant par la conduite 4. y est donc égal au rapport du débit Qdésinf. dans la canalisation 13 ou 18 au débit Qalim. (y = Qdésinf. / Qalim.) On désigne par « x2 » le rendement d'élimination du traitement de désinfection-stérilisation. x2 est égal au nombre de micro-organismes éliminés par unité de volume rapporté au nombre de micro-organismes avant traitement. Une élimination totale correspondant à x2 = 1.
SRT, ou âge de boue, est égal au quotient du volume de biomasse, soit les réacteurs 1+2, exprimé en m3, par le débit Qw exprimé en m3/h de boue extraite par la conduite 11.
HRT, ou temps de rétention hydraulique au sein du réacteur, est égal au rapport du volume de biomasse, soit les réacteurs 1+2, au débit d'alimentation Qalim. Selon la présente invention, avec un fonctionnement continu, le facteur de concentration volumique FCV en micro-organismes entre l'effluent à traiter et le liquide interstitiel est donné par la relation suivante :
Xréacteur SRT FCV = #
Xeffluent (x2.y.SRT) + HRT
avec :
Xréacteur : concentration du paramètre X (X = micro-organisme ciblé) au sein du liquide interstitiel du bioréacteur
Xeffluent : concentration du paramètre X dans l'effluent à traiter # signifiant « environ »
A partir de cette relation, pour une concentration Xréacteur souhaitée, connaissant Xeffluent, x2, SRT et HRT, on peut déduire la valeur de y . En fonction :
- du micro-organisme présent ciblé X dans l'effluent à traiter,
- de sa concentration Xeffluent dans l'effluent à traiter,
- du niveau de contamination acceptable Xréacteur dudit micro- organisme pour maîtriser le risque sanitaire et environnemental au niveau du bioréacteur ,
- du rendement x2 de désinfection - stérilisation du traitement pour le micro-organisme ciblé,
- et des conditions de fonctionnement du bioréacteur (SRT et HRT), on peut déterminer le débit de liquide interstitiel nécessaire et suffisant pour maintenir un niveau de contamination acceptable au cas par cas, par exemple égal à la concentration en micro-organismes cibles de Peffluent brut à traiter de façon à annuler le phénomène de concentration intrinsèque aux bioréacteurs à membranes. En ciblant le traitement de désinfection sur la fraction exclusivement dite
« liquide interstitiel », l'invention présente de nombreux avantages.
L'invention permet d'appliquer le traitement de désinfection sur une phase
- partiellement dépourvue de matières en suspension, - dont la pollution, notamment soluble, a d'ores et déjà été réduite par le traitement biologique, ce qui permet d'assurer l'efficacité et la sélectivité nécessaire dudit traitement sur les micro-organismes cibles comme l'illustrent les exemples présentés ci-après.
Dans ces conditions, pour un niveau de contamination fixée, la taille de l'installation (ie capex) et les coûts d'exploitation (ie opex) seront d'autant réduits.
Un autre avantage de la présente invention est qu'elle n'implique pas nécessairement un stress de la biomasse épuratrice qui peut se traduire par une dégradation de la qualité du liquide interstitiel et l'excrétion d'exopolymères susceptibles d'induire un colmatage des membranes. L'invention permet aussi d'éviter de stimuler la lyse cellulaire des micro-organismes produisant un relarguage de matériels biologiques dans le milieu réactionnel et réduisant la capacité de filtration des membranes.
EXEMPLES Exemple 1
Le premier exemple concerne une petite communauté (complexe touristique) de 3500 habitants dont les effluents résiduaires sont traités par bioréacteur à membranes et dont l'effluent est tout à fait représentatif de la qualité moyenne d'un effluent urbain, soit :
MeS : 160 mg/l
DCO : 380 mg O2/L DBO5 : 190 mgO2/L
Ntotal : 28 mg/L
Ptotal : 7,5 mg/L
Les paramètres de fonctionnement du bioréacteur à membranes sont les suivants :
Débit moyen journalier : 525 m3/ j
Age des boues : 35 jours = SRT
Temps de rétention hydraulique moyen : 10 h = HRT
On envisage l'hypothèse d'une épidémie de dysenterie qui toucherait en moyenne, sur une période assez longue, 1% de la population (porteurs), avec un agent infectieux identifié comme étant le protozoaire entamoeba hystolitica.
Au cours de cette épidémie, la concentration moyenne dans l'effluent résiduaire à l'entrée de la station d'épuration est passée de 2,1 kystes /L (kystes par litre) à 98 kystes/L (kystes par litre).
Compte tenu de la taille des kystes (10 à 15 μm), ceux-ci sont totalement retenus par les membranes. Il est important de souligner que, grâce à la mise en œuvre des membranes, tout au long de la période d'épidémie, l'effluent traité demeurera exempt de contamination : aucun kyste ne sera rejeté dans le milieu récepteur de l'effluent traité ce qui, en soi, constitue une première maîtrise du risque sanitaire.
En revanche, les kystes se concentrent dans le bioréacteur selon un facteur d'environ 84 (SRT/HRT), soit :
- environ 176 kystes/L, en absence d'épidémie, - jusqu'à 8 232 kystes/L observés au cours de la période d'épidémie.
De par leur comportement, ces kystes sont en effet presque exclusivement concentrés dans le liquide interstitiel.
Afin de contrôler le risque sanitaire lié à cette situation de crise, il est décidé de mettre rapidement en place une boucle de traitement selon la présente invention en se fixant comme objectif jugé nécessaire et suffisant de maintenir une concentration au sein du bioréacteur au plus égale à celle observée en dehors de la période d'épidémie, soit 176 kystes/L. Cet objectif équivaut à se fixer un facteur de concentration FCV de 1 ,8 ce qui implique le traitement selon la présente invention d'un débit de liquide interstitiel équivalent à 50-55% du débit d'alimentation moyen traité par la station.
Pour ce faire, un skid (bloc) de flottation est mis en œuvre selon la présente invention pour extraire 12m3/h de liquide interstitiel de la liqueur mixte du bioréacteur, soit l'équivalent de 50 à 55% du débit moyen traité par la station.
Ce liquide interstitiel est soumis à un traitement d'ozonation.
A la suite de la mise en œuvre du traitement suivant la présente invention dans les conditions décrites ci-dessus, une rapide décroissance du niveau de contamination du liquide interstitiel serait observée. Ce niveau de contamination se stabiliserait à 168 kystes/L conformément à l'objectif qui était fixé.
Exemple 2
On considère maintenant l'hypothèse d'un effluent résiduaire urbain issu d'une agglomération de 15 000 habitants située dans une zone géographique qui se caractérise par une contamination naturelle endémique de bactéries de genre salmonelle.
Cet effluent résiduaire est traité à l'aide d'un bioréacteur à membranes dont les paramètres de fonctionnement sont : Débit moyen : 1 500 m3/j
SRT : 25j
HRT : 7h
La concentration moyenne en salmonelles dans Peffluent brut est de
4.5.105 NPP/100mL (millilitres) entièrement retenues au sein du bioréacteur du fait de l'emploi d'une clarification par membranes d'ultrafiltration. On rappelle que l'abréviation NPP signifie « nombre le plus probable ».
Dans les conditions de fonctionnement énoncées ci-dessus, le facteur de concentration théorique est de 85,7, soit une concentration théorique dans le liquide interstitiel de 3,85.107NPP/10OmL. Dans les faits, et avant la mise en place de la présente invention, la concentration en salmonelles observée dans le liquide interstitiel serait d'environ
3.8.106 NPP/100mL. Cette observation est corrélée à un abattement d'environ 1 Log, lié au processus biologique (prédation et/ou transfert dans la phase solide , c'est à dire floc biologique). L'abattement de 1 Log correspond à une division par 10 de la concentration en salmonelles. L'objectif sanitaire lié à la mise en œuvre de la présente invention est de maintenir au sein du liquide interstitiel une concentration au plus égale à celle de l'effluent brut afin d'annuler l'effet de concentration lié à l'emploi des membranes.
Compte tenu - des paramètres de fonctionnement du bioréacteur à membranes
(SRT, HRT),
- de l'abattement naturel observé (environ 1 Log), il apparaît que pour maintenir au sein du liquide interstitiel une concentration au plus de 4,5.105 NPP/100mL, le facteur de concentration doit être réduit au plus à 10, en tenant compte de l'abattement lié au processus biologique. Pour ce faire, une phase de clarification par centrifugation aurait été mise en place pour extraire du bioréacteur 6,25 m3/h de liquide interstitiel, soit l'équivalent de 10% du débit moyen traité sur la station.
Ledit liquide interstitiel est alors soumis à un traitement de désinfection par UV.
Dans les conditions de fonctionnement énoncées ci-dessus, le taux de contamination en salmonelles du liquide interstitiel du bioréacteur se serait alors stabilisé à une teneur de 4,3.105 NPP/100mL, soit un niveau de concentration équivalent à l'effluent brut à traiter conformément à l'objectif fixé. Dans ces conditions, le risque sanitaire lié au taux de contamination du liquide interstitiel n'est pas plus élevé localement que celui induit par la contamination de l'effluent brut. La présente invention permet de contrôler parfaitement l'effet de concentration initialement induit par l'emploi des membranes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d'effluents, en particulier d'eaux, chargés en micro- organismes, pathogènes ou non, à l'aide d'un bioréacteur à membranes effectuant une épuration biologique avec une biomasse adaptée, caractérisé en ce que, pour réduire le niveau de concentration en micro-organismes dans le bioréacteur on établit une boucle de traitement (B ;B1 ;B2) de la liqueur mixte du bioréacteur, lequel traitement comprend : - une étape de séparation solide/liquide (12,12a) avec un seuil de coupure choisi tel que les micro-organismes, notamment ceux ciblés par le procédé, demeurent dans la phase liquide (L), alors que la biomasse épuratrice reste dans la phase solide (S),
- un traitement de désinfection et / ou de stérilisation (D) de la phase liquide, le débit de liqueur mixte soumis au traitement de désinfection étant déterminé pour au moins annuler le phénomène de concentration en microorganismes intrinsèque au bioréacteur,
- et une restitution de la phase liquide ainsi traitée dans le bioréacteur.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rapport « y » du débit Qdésinf. de liqueur mixte dirigée vers le traitement de désinfection, au débit Qalim d'effluent à traiter arrivant par la conduite est déterminé par la relation
Xréacteur SRT #
Xeffluent (x2.y.SRT) + HRT
dans laquelle :
Xréacteur désigne la concentration du paramètre X (X = micro-organisme ciblé) au sein du liquide interstitiel du bioréacteur
Xeffluent : désigne la concentration du paramètre X dans l'effluent à traiter
# signifie « environ »
« x2 » désigne le rendement d'élimination du traitement de désinfection- stérilisation, SRT désigne l'âge de boue
HRT désigne le temps de rétention hydraulique au sein du réacteur
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la boucle de traitement (B) est indépendante de la recirculation de la liqueur mixte.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le cas d'un système séparé, la boucle de traitement (B1) est disposée en dérivation sur une conduite (10) de recirculation existante de la liqueur mixte entre une cellule de filtration (2) et un réacteur biologique (1).
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fraction solide (S) issue de l'étape de séparation solide/liquide (12) est restituée sans traitement dans le bioréacteur (R).
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fraction solide (S) issue de l'étape de séparation solide/liquide (12) est soumise à un traitement de réduction de production de boues avant d'être restituée dans le bioréacteur (R).
7. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la boucle de traitement (B2) comporte un poste (E) de traitement des boues comprenant l'étape de séparation solide/liquide (12a) suivie, pour la phase solide (S), d'une étape (E1) de traitement de réduction de production de boues.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le seuil de coupure pour la phase de séparation solide/liquide (12, 12a) est d'au moins 0,1 μm.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase de séparation solide / liquide est réalisée par au moins l'un des procédés suivants: tamisage, flottation, centrifugation, décantation, filtration sur toile, séparation sur membrane, sous réserve de maintenir les micro-organismes ciblés dans la phase liquide de la séparation solide / liquide.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement de désinfection de la phase liquide est constitué par au moins l'un des traitements suivants:
- traitement physique ou mécanique : rayons ultra violets, ultrasons, choc de pression, et/ou - traitement chimique : tout biocide non oxydant ou oxydant tel que le chlore, l'ozone, bioxyde de chlore, et/ou
- traitement biologique tel que l'oxydation ou l'hydrolyse par voie enzymatique , et/ou - traitement thermique.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle de traitement (B,B1 ,B2) est prévue pour un fonctionnement continu ou discontinu.
12. Installation de traitement d'effluents, en particulier d'eaux, chargés en microorganismes, pathogènes ou non, comprenant un bioréacteur à membranes effectuant une épuration biologique avec une biomasse adaptée, pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour réduire le niveau de concentration en micro-organismes dans le bioréacteur l'installation comporte une boucle de traitement (B ;B1 ;B2) de la liqueur mixte du bioréacteur, laquelle boucle de traitement comprend :
- un moyen de séparation solide/liquide (12,12a) avec un seuil de coupure choisi tel que les micro-organismes, notamment ceux ciblés par le traitement, demeurent dans la phase liquide (L), alors que la biomasse épuratrice reste dans la phase solide (S),
- un moyen de désinfection et / ou de stérilisation (D) de la phase liquide,
- et un moyen de restitution (17) de la phase liquide ainsi traitée dans le bioréacteur.
13. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que la boucle de traitement (B) est indépendante de la recirculation de la liqueur mixte.
14. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que, dans le cas d'un système séparé, la boucle de traitement (B1) est disposée en dérivation sur une conduite (10) de recirculation existante de la liqueur mixte entre une cellule de filtration (2) et un réacteur biologique.
15. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comporte un poste (E) de traitement des boues comprenant le moyen de séparation solide/liquide (12a) suivi, pour la phase solide (S), d'un poste (E1) de traitement pour réduction de production de boues.
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