1. Description des membranes immergées

Le système d’ultrafiltration pour eaux usées ZeeWeed® est basé sur des membranes « extérieur vers intérieur » à fibres creuses immergées qui consomment peu d’énergie. La taille des pores est de 0.04 micron et assure de cette manière qu’aucune particule ne passe à travers la membrane. De plus les composants dissouts convertis en composants insolubles en amont des membranes peuvent être séparés. Les figures 1 et 2 montrent comment fonctionnent les membranes ZeeWeed® .

Avantages des membranes ZeeWeed®

• Pas de risque de colmatage grâce au procédé « extérieur vers intérieur »
• Grande résistance mécanique grâce aux fibres renforcées
• Excellente séparation liquide solide grâce à l’ultrafiltration (figure 3).
• La taille des pores est inférieure aux plus petits microorganismes !
• Nettoyage efficace grâce à la possibilité de rétrolavage
• Peu d’encombrement grâce à la densité du nombre de fibres par m3
• Excellente résistance aux produits chimiques grâce à la haute qualité du PVDF dans lequel les membranes sont réalisées.Une ligne ZeeWeed^® (Figure 6) est une unité de production comprenant un ensemble de cassettes immergées dans un réservoir membranaire ouvert ou simplement couvert. Une installation complète peut comporter plusieurs lignes gérées conjointement, séparément en parallèle. Le système est donc modulaire assurant de cette manière une grande flexibilité de dimensionnement et d’utilisation.

En fonction de la taille de l’installation souhaitée les membranes ZeeWeed® se dimensionnent par module et cassette. Un certain nombre de cassettes constitue ensuite une ligne de traitement. Un module consiste (figure 4) en un cadre amovible comprenant des milliers de fibres creuses verticales ZeeWeed® fixées entre deux collecteurs (haut et bas). Le module est la plus petite unité remplaçable très facilement sur site. La cassette (figure 5) est la plus petite unité qui peut traiter l’eau. Le perméat d’une cassette est rassemblé dans un collecteur connecté à la pompe perméat.

Des extensions ultérieures pourront être obtenues facilement.

Extraction du perméat et rétrolavage

Les membranes d'ultrafiltration ZeeWeed^® fonctionnent en basse pression transmembranaire qui est induite par une pompe perméat connectée au collecteur au dessus de la cassette. Les opérations d’extraction de perméat et de rétrolavage s’alternent. L’extraction du perméat est la période de temps pendant laquelle l’eau est extraite vers la pompe perméat grâce à une faible dépression. Le rétrolavage est la période pendant laquelle l’eau filtrée est renvoyée au travers de la membrane. Cette eau chasse à ce moment les particules qui s’agglutinent à proximité de la surface membranaire. (Figure 7)

Bien évidemment ce procédé conduit à un phénomène de concentration des boues et particules qui devront faire elles aussi l’objet d’une circulation pour le maintien de l’équilibre du système. La boue concentrée doit donc être renvoyée vers le réacteur biologique principal.
 

En plus de ce rétrolavage, il apparait qu’un soufflage d’air intermittent sous les membranes permet de créer des turbulences importantes et nettoie de cette manière la surface des fibres. Ce soufflage d’air contribue activement au nettoyage des membranes. Le surpresseur d’air fonctionne de manière continue et l’air est distribué alternativement sous une fraction des membranes. Cet air contribue à l’aération de la boue activée.

Nettoyage des membranes

Tout d’abord les membranes ZeeWeed^® sont nettoyées par de l’eau récupérée dans un bassin tampon juste avant le rejet à la rivière. Ce type de nettoyage par rétrolavage et soufflage d’air est totalement automatique et permet la simplification des nettoyages chimiques.

Toute membrane doit être nettoyée de temps à autre de manière chimique. Dans les premières références, ces nettoyages étaient effectués lorsque l’on constatait une dégradation de la perméabilité des membranes. Il est apparu que la durée de vie augmentait lorsque les nettoyages se font de manière préventive. Ces nettoyages préventifs ou de maintenance appelés également en anglais « maintenance cleaning » se font normalement avec le réservoir membranaire vide. Cela permet de n’avoir que des quantités négligeables de produit chimique en évitant toute dilution. Le produit chimique est de cette manière en contact intime avec la membrane. Les nettoyages sont totalement automatiques. Leur fréquence dépend de la température extérieure. En période estivale ce type de nettoyage se fait une fois toutes les 2 à 4 semaines. En période hivernale ce nettoyage se fait toutes les 1 à 2 semaines à capacité maximale de la station. La procédure prend environ 2 heures.

La procédure de nettoyage préventif permet de garder une pression transmembranaire très basse à long terme. Cependant la pression transmembranaire peut augmenter lentement. Pour retrouver la perméabilité originale des membranes il est utile de procéder à un nettoyage intensif 1 à 2 fois par an. En pratique nous observons une fréquence de 1 fois tous les deux ans dans les multiples références en fonction.

Le rôle du HCl est uniquement de baisser le pH de la solution acide. D’autres acides peuvent être utilisés mais après consultation du manuel.

2. Description du procédé bioréacteur à membranes BRM

Les BRM ZeeWeed® sont des systèmes qui utilisent les mêmes principes biologiques que les biologies conventionnelles mais où la fonction de séparation eau / solide est assurée par des membranes ZeeWeed®. Les membranes remplacent donc les clarificateurs et filtres à sable. La même fonction est assurée certes, mais de manière nettement plus performante. 

Les membranes ZeeWeed® d’ultrafiltration sont immergées directement dans le réacteur biologique ou dans une annexe, et séparent l’eau de toutes particules et microorganismes quelles que soient les caractéristiques de décantation de la boue activée. Dans un système conventionnel, la vitesse de décantation est liée à la concentration des boues dans la biologie. Pour un BRM ce lien n’existe plus.

Cette caractéristique permet donc à ce système de fonctionner avec des concentrations nettement plus élevées qu’en biologie conventionnelle. C’est ce qui permet de réduire la taille des stations d’épuration sans dégradation de la qualité de l’effluent, que du contraire !! Les membranes ZeeWeed® en BRM travaillent couramment avec des concentrations de l’ordre de 8 à 12g/l. Des concentrations élevées en biomasse sans risque de pertes de bactéries permettent non seulement des âges de boues importants mais permettent aussi de cultiver des souches de bactéries à très faibles taux de croissance.

Le bioréacteur à membranes combine donc toutes les fonctions de l’épuration en un seul procédé très facile à gérer (Aération, séparation solide-liquide, traitement tertiaire du phosphore, traitement tertiaire sur les MES).

3. Les avantages coulent de source…

• Expérience
• Le bioréacteur n’est plus au stade de l’expérimentation. Les nombreuses références belges et internationales de Zenon en témoignent. Le dernier Symposium de Aix la Chapelle des 25 et 26/10/2005 conclut que le BRM est une technologie arrivée à pleine maturité.
• Qualité d’effluent
• La haute qualité de l’effluent est supérieure aux normes les plus sévères en Europe (par exemple eaux de baignades). La qualité est telle que le client pourra envisager tout type de réutilisation voire la potabilisation ! Une référence Zenon dans ce domaine existe en Belgique (340m3/h).

• Elimination de l’azote et du phosphore
• Les installations BRM à membranes ZeeWeed® MBR facilitent les réactions de nitrification et dénitrification car certaines souches à faible taux de croissance sont sous contrôle absolu de l’opérateur. Ce point est extrêmement important lorsqu’en hiver les températures sont très basses. Certaines références équipées de membranes ZeeWeed® (Monheim +/-300m?/h par exemple) ont démontré qu’il était possible de nitrifier complètement pendant 8 semaines avec un effluent entre 5 et 8°C. Les membranes sont parfaitement compatibles à l’ajout de chlorure ferrique, ce qui est indispensable pour l’élimination du phosphore.
• Procédé stable
• Comme le BRM ZeeWeed® est une installation qui fonctionne à partir d’une faible charge organique (charge massique), et que les membranes servent de barrières physiques aux micro-organismes, il ne peut y avoir de pollution vers la rivière et la qualité de l’effluent en plus d’être meilleure sera toujours plus constante.
• Faible surface au sol
• Le procédé BRM ZeeWeed® peut fonctionner à des concentrations en boue activées élevées car la qualité du rejet ne dépend pas de la concentration dans les bassins comme c’est le cas dans des procédés conventionnels

4. Applications

• Photo 1: eaux résiduaires urbaines : les bioréacteurs à membranes BRM permettent d'obtenir sans traitement complémentaire des eaux de qualité baignade mais permettent également des mise à niveau de station d'épuration classique. BRM 750 m3/h
• Photo 2: lixiviats de décharges : soit uniquement avec membranes ZeeWeed®, soit en combinant membranes Zeeweed® (étape biologique) et une étape complémentaire. 150 m3/jour
• Photo 3: eaux industrielles : rétrofit des installations existantes : réutilisation des eaux. 15 m3/h
• Photo 4: potabilisation des eaux. traitement d’eau de backwash de filtre à sable; filtration après coagulation. 60m3/h