La haute qualité des eaux épurées par bioréacteur à membrane (BRM)

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Stereau

Stereau, filiale ingénierie du groupe SAUR, a été le pionnier dans l’implantation de la technologie membranaire au service des collectivités. Tandis que les applications industrielles du procédé Aqua-RM® datent de 2002 (usine de la Quercynoise), la première station d’épuration de type urbain proposant le procédé Aqua-RM® a été mise en service en 2004 dans la ville du Guilvinec (Voir à ce sujet E.I.N. N° 296). Cette usine présente une capacité nominale de 26.000 EH. Fort de cette première référence sur de l’effluent urbain, Stereau a promu cette technologie sur le territoire français et même européen. Un nombre significatif de références a été réalisé, dont trois dans le domaine de l’eau usée industrielle. Ces références présentent une gamme très large de capacité, avec des petites installations allant de 1.000 EH jusqu’à 200.000 EH.

En comparaison avec des stations d’épuration dites “classiques” (prétraitement, bassin d’aération prolongée et clarification pour séparer la boue biologique de l'eau épurée), la technologie membranaire propose la combinaison d’un traitement par boue activée très faible charge avec une séparation de la boue et de l’eau épurée par filtration membranaire.

Ce procédé permet la construction d’ouvrages très compacts, car il n'y a plus de limitation en concentration du fait du maintien...

tien d’un indice de boue compatible avec la clarification. Ainsi, les membranes mises en œuvre par Stereau admettent des concentrations en boues biologiques de 8 à 15 g/l, d'où un gain significatif en termes d’encombrement.

La photo aérienne ci-dessous (figure 2) présente un exemple flagrant de compacité. Il s’agit de l’ancienne et de la nouvelle usine de traitement du Bono d’une capacité de 7 000 EH (Morbihan). L’ancienne filière était composée d'une aération biologique et d'un clarificateur d’une capacité de 3 500 EH (ovale rouge), alors que la nouvelle station (ovale vert) est composée d’un tamisage, d'une zone anoxie, d’une zone d’aération, de deux cellules membranaires et du bâtiment d’exploitation. La nouvelle usine mettant en œuvre le procédé Aqua-RM© a été mise en service en juin 2005.

Ainsi, cette technologie est parfaitement adaptée à des zones présentant des contraintes fortes en termes de terrain disponible. L’exemple de l’usine du Guilvinec illustre bien ce propos. L’usine a été construite sur une ancienne décharge, c’est-à-dire un terrain instable avec l’obligation de mettre en œuvre des pieux spécifiques pour le génie civil. La proposition de Stereau, avec la mise en œuvre d’un Aqua-RM©, a permis une réduction significative de l’emprise au sol des ouvrages et ainsi une économie importante de génie civil pour la ville.

Le bâtiment technique (figure 3) permet de centraliser, sur deux étages :

• Tamisage Eaux brutes à 2 mm ;
• Dessablage/Dégraissage/Lipocycle© ;
• Aqua-RM© ;
  • Volume biologique global : 1 700 à 2 000 m³ (niveau variable 300 m³) ;
  • Membranes installées dans 3 bassins séparés et isolables (18 modules sur 3 files indépendantes : 5 760 m³) ;
• Déshydratation par centrifugation directe des boues ;
• Traitement de l'air par Lanodor©.

Il en est de même pour les zones côtières qui, sous le coup de la loi littoral, sont limitées dans la construction de nouveaux ouvrages.

La technologie Aqua-RM© augmente alors la capacité des installations en termes de flux de pollution et de qualité d’eau tout en réutilisant les ouvrages existants. Sur le site de Bénodet, l'ancien épaississeur a été réaménagé en réacteur membranaire (figures 4 et 5).

Outre la réhabilitation d’ouvrages obsolètes, cette configuration offre l’avantage d’écourter significativement la durée des travaux. Sur Bénodet, la mise en service des membranes s’est déroulée en décembre 2005 soit moins de 5 mois après l’ordre de service.

Qualité de l’effluent

Résultats épuratoires et zone sensible

Une épuration poussée d’aération prolongée associée à une filtration membranaire performante permet d’atteindre une très haute qualité d’eau épurée. Le tableau ci-dessous synthétise les valeurs couramment obtenues pour un effluent urbain classique.

Les abattements sur les nutriments sont excellents et ne nécessitent pas de traitement tertiaire type clarifloculateur. Le phosphore total est ainsi éliminé par le couple ou le trio déphosphatation physico-chimique et/ou déphosphatation biologique, et filtration membranaire. Il en est de même pour la gestion de la nitrification et dénitrification. Les bioréacteurs à membranes permettent d’atteindre une nitrification complète, puis la dénitrification est obtenue par la mise en

Œuvre de bassins anoxiques et/ou séquençage dans un bassin d’aération associé à la filtration membranaire.

Ainsi, des valeurs en phosphore et azote respectivement très inférieures à 1 mg/l et de 5 à 15 mg/l en fonction du design sont atteignables avec le procédé Aqua-RM°.

Dans un même ouvrage est réalisé le traitement secondaire et tertiaire type clarifloculateur ou filtration sur sable permettant d’atteindre des contraintes de rejets en zone sensible liées à la présence de nutriments.

Paramètres microbiologiques et réutilisation

Les bioréacteurs à membrane mettant en œuvre des membranes plaques Kubota ont fait l’objet d’un agrément californien de réutilisation des eaux usées très sévère : le Title 22. Cet agrément nécessite le respect de seuils en coliformes totaux. Ces seuils sont de 2,2 ou 2,3 par 100 ml selon les cultures et les scénarii de réutilisation envisagés. Ainsi, ces essais ont défini un abattement global de bioréacteur à membrane de plus de 5 Ulog pour les coliformes fécaux.

En obtenant une qualité d’eau conforme à la norme « eau de baignade », les eaux traitées peuvent être réutilisées pour l’industrie et l’irrigation des espaces verts selon le contexte et les agréments locaux. La re-use, ou réutilisation des eaux usées épurées, permet de limiter la consommation en eau potable à des usages qui exigent cette qualité. Pour obtenir cette qualité eau de baignade, il aurait fallu un traitement tertiaire type membrane ou filtre à sable et rayonnement ultraviolet, alors que l’Aqua-RM° permet de réaliser le traitement secondaire et tertiaire dans un même ouvrage. Les contraintes de rejets drastiques en terme de performance épuratoire comme d’abattement en micro-organismes (zone de baignade, réutilisation) sont respectées. Au contraire d’une boue activée classique, les membranes garantissent une fiabilité remarquable des performances, puisqu’elles représentent une barrière infranchissable.

Ainsi, la ville du Guilvinec a reçu l’autorisation de réutiliser l’effluent de la station pour l’arrosage des espaces verts communaux. Les deux tableaux suivants (figures 6 et 7) permettent de synthétiser les avantages des BRM par rapport à une culture libre (aération prolongée) et par rapport à une solution compacte en culture fixée, les biofiltres (Biolest™).

Comme présenté précédemment, les principaux avantages des BRM en comparaison des aérations prolongées classiques sont (figure 6) :

• La compacité ;
• La qualité de l’effluent (nitrification) ;
• La présence d’effluents concentrés ;
• Rejet en milieu sensible ;
• Procédé parfaitement maîtrisable et fiable.

En comparaison à des biofiltres, autre technologie compacte, les BRM présentent différents avantages (figure 7) :

• Traitement poussé du carbone et de l’azote ;
• Consommation de réactifs moindre (méthanol) ;
• Production de boues plus faible ;
• Grande simplicité d’exploitation.

La technologie membranaire Aqua-RM°

Le procédé Aqua-RM° met en œuvre des membranes plaques Kubota. Ces membranes ont été spécifiquement développées pour l’application eaux usées et ainsi elles présentent de nombreux avantages en adéquation avec cette application :

• Une grande résistance mécanique des membranes comme des châssis membranaires, les bassins membranaires, quels que soient la technologie utilisée, sont soumis à des phénomènes de turbulence.
• Un mode de fonctionnement simplifié ne demandant aucune intervention régulière de l’exploitant ni sollicitation importante du matériel.

En effet, la feuille membranaire est soudée par ultrasons sur une plaque support en ABS qui assure la rigidité et le maintien de l'écartement entre chaque membrane.

Chaque membrane plate (figures 8 et 9) est constituée d'un matériau épais et résistant de type composite :

• - Peau en polyéthylène chloré ;
• - Couche support en matériau non tissé : polyéthylène téréphtalate (PET).

Pendant la filtration, la membrane demeure plaquée sur son support, évitant la sollicitation et la fatigue mécanique, conditions nécessaires pour obtenir une longue durée de vie.

De plus, cette configuration plaque rend les membranes insensibles à une problématique très souvent rapportée pour les BRM, la prise en masse des filasses autour des membranes imposant des opérations de maintenance très lourdes. Dans le cas des membranes plaques, les filasses glissent sur les feuilles membranaires mais ne s'accrochent pas.

Pour les installations de capacité importante, afin d’optimiser la compacité du process et de minimiser l'emprise au sol des cellules membranaires, les membranes sont mises en œuvre dans des modules double étages (figure 10).

Ces modules sont donc composés :

• - d'un système d’aération permettant le décolmatage des membranes en continu au cours de la filtration ;
• - de deux étages membranaires.

Le mode de fonctionnement de ces modules est d'une extrême simplicité. Un cycle de filtration est composé de deux étapes : une première étape de filtration et une seconde de relaxation, soit un arrêt de la filtration. Ainsi, les membranes filtrent plus de 90 % du temps.

Comment expliquer la simplicité du mode de fonctionnement des membranes plaques ?

Les pressions de filtration sont très faibles, de l'ordre de 50 à 80 mbar, et les débits d’air de décolmatage ainsi que les périodes de relaxation appliqués sont parfaitement ajustés à ce type de filtration.

Le colmatage des membranes s’avère alors léger et la fréquence des lavages de maintenance est en moyenne de 1 à 2 par an. Les lavages de maintenance ont lieu in situ, sans manutention et sans vidange des réacteurs membranaires, simplement par une mise en contact d'une solution diluée en javel ou acide à l'intérieur des modules.

Ces lavages de maintenance ne durent qu’environ 60 min par cellule membranaire et utilisent des volumes d’eau de moins de 0,002 % de l'eau annuellement traitée et moins de 0,4 % du volume biologique global par lavage. La gestion de rejets spécifiques est donc absente et la sollicitation de l'exploitant est minimale.

La figure 11 présente de manière synthétique l'ensemble des avantages d'un procédé Aqua-RM™.

Compact-RM

Le procédé Compact-RM™, l'une des dernières innovations signées Stereau, est nominé à la 5ᵉ édition du prix innovation du Salon des Maires et des Collectivités Locales (SMCL) 2007.

Ce procédé utilise la technologie membranaire Aqua-RM™ et répond ainsi parfaitement aux exigences du traitement des eaux usées.

des petites collectivités, des industriels, ou des quartiers non raccordés au réseau d’assainissement. Stereau met ainsi à la portée des petites collectivités une technologie novatrice, permettant d’atteindre une qualité de traitement exceptionnelle. Cette technologie répond aux besoins du marché des collectivités de 400 à 5 500 EH, c’est-à-dire :

• - Améliorer la gestion de la ressource en eau ;
• - Limiter l’impact du traitement des eaux sur l’environnement ;
• - Limiter la durée du chantier pour en réduire les nuisances ;
• - Permettre la réutilisation des eaux à d’autres usages : arrosage des espaces verts, irrigation...
• - Mettre à disposition des petites collectivités une technologie réservée hier aux grandes collectivités.

Les principaux caractères innovants de ce produit sont :

• - La mise à disposition d’une station complète, HQE, modulaire, évolutive et standardisée.
• - Les modules COMPACT-RM et bâtiments sont préfabriqués en France en série. Cela permet une réduction de la durée totale du chantier (moins de 6 mois) par rapport à des chantiers classiques équivalents.
• - Optimisation de l’espace avec un encombrement au sol réduit par rapport à une station classique, une diminution de l’impact visuel (station en partie enterrée et compacte) ainsi qu’une intégration architecturale du concept HQE et la gestion des espaces verts (toiture végétale, pelouses...).
• - La modularité du traitement car le cœur du traitement est en cuves ou citernes compactes. Il est possible par exemple d’ajouter un module sans revoir l’ensemble de la conception de la station. Cette souplesse est prise en compte dès le départ.
• - Une technologie novatrice par filtration membranaire, robuste et fiable. Le choix d’équipements fiables et de qualité avec une maintenance réduite.
• - Un délai de réalisation réduit sur site permis par la préfabrication et le pré-montage des éléments en usine.
• - Quelles que soient les contraintes de la collectivité, cette exclusivité Stereau s’inscrit au cœur des préoccupations du client. L’intégration des membranes dans les modules préfabriqués semi-enterrés permet d’être compétitif, de favoriser l’intégration sur le site et de garantir des délais de chantier très courts en limitant au maximum la part de génie civil.

Avec des références de 1 000 EH (Flamanville) à 200 000 EH (Vathia Gonia à Chypre), Stereau démontre que son produit Aqua-RM®, mettant en œuvre des membranes Kubota, est adapté quelles que soient les capacités de traitement envisagées. De plus, l’ensemble des partenaires Kubota totalise plus de 2 500 références dans le monde avec par exemple la station d’Oman d’une capacité de 78 000 m³/jour.