Dans le traitement des eaux résiduaires, le BioRéacteur à Membrane occupe une place de choix. Fiable et compact, il a les avantages de la station idéale du futur. Produisant une eau traitée d'excellente qualité et recyclable, il est un procédé de plus en plus souvent demandé. Degrémont a réalisé des installations BRM® (breveté) dans plus d'une dizaine d'applications. Du traitement des eaux résiduaires urbaines à la dénitrification d'eau potable, des eaux résiduaires d'industries chimiques ou agro-alimentaires à la papeterie et en passant par les lixiviats de décharge, il est souvent une des meilleures solutions technico-économique.
Le BioRéacteur à Membrane, BRM® breveté par Degrémont, est une technologie propre et innovante. C'est à ce titre qu’il a gagné le Challenge Innovation du salon IPA 1994 regroupant les professionnels de l’agro-alimentaire, et a été sélectionné par la CEE par deux fois, en 1994 et 1997, dans le cadre des projets « LIFE - Environnement » parmi de nombreux dossiers au titre de technologie propre.
Présentation
Associant en synergie traitement biologique et technique membranaire, le BRM® met en œuvre des technologies et matériels éprouvés et performants :
- les traitements biologiques des eaux résiduaires sont mis en place par Degrémont depuis plus de 50 ans,
- les techniques de filtrations membranaires existent depuis plus de 20 ans et cette technologie est aujourd'hui totalement maîtrisée, notamment dans l'industrie laitière, le traitement des eaux ...
Le BRM® est une installation d’épuration réalisant en synergie deux fonctions dissociées physiquement en deux lieux :
- une fonction d’épuration dans le Bio-Réacteur,
- une fonction de séparation dans le Bloc Membrane.
Ainsi, l’élimination des pollutions dissoutes et particulaires permet d’obtenir une eau traitée d’excellente qualité pouvant être réutilisée pour un certain nombre d’applications.
Rappelons pour mémoire les avantages et inconvénients des techniques membranaires et biologiques :
Le traitement physique par filtration sur membrane est assez simple et peut être efficace. Il permet de retenir des types de polluants en produisant une eau d'une certaine qualité. Néanmoins, on ne fait que déplacer le problème sans le résoudre : on concentre la pollution sans l’éliminer. Se posent alors les questions : Que faire du concentrat ? Son coût d’élimination ? ... De plus, la filtration de l’effluent brut génère de nombreux problèmes de colmatage, celui-ci étant d’autant plus difficile à contrôler que la qualité de l’effluent varie.
Le traitement biologique par boues activées est une technologie maîtrisée permettant d‘éliminer la pollution en produisant une eau d'une certaine qualité. Néanmoins, cette technique nécessite une importante surface au sol. De plus, les boues activées sont du matériel vivant sujet aux problèmes habituels de mauvaises décantations des boues, de bulking et autres phénomènes néfastes au bon fonctionnement de la station.
En alliant ces deux technologies, le BRM® crée une synergie et bénéficie des avantages de chacune d’elles, sans en subir les inconvénients. Les membranes associées à la biologie permettent de résoudre les problèmes de concentrat à éliminer et les dysfonctionnements dus à l’instabilité des boues.
Principes et avantages
Grande compacité et faible production de boues
Le BioRéacteur est un bassin d’aération fonctionnant à forte charge volumique. Le Bioréacteur est environ 5 à 10 fois plus petit qu’un bassin d’aération classique. L’aération y est réalisée par air surpressé au moyen d’un réseau d’aérateurs de fond, économes en énergie.
Le bloc membrane se compose de membranes fonctionnant en flux tangentiel. Les membranes, associées en modules de 1 m de long et Ø 350, constituent une barrière infranchissable aux matières en suspension et aux micro-organismes (bactéries, virus...).
Les bactéries des boues activées ne pouvant pas quitter le BRM®, le bioréacteur peut travailler à de forte concentration en biomasse et à des âges de boues élevés, ce qui permet une faible production de boues en excès. De plus, la filtration tangentielle a deux conséquences importantes sur la biologie du système :
- en premier lieu, le balayage permanent des membranes disperse les bactéries : les bactéries épuratrices ne sont pas regroupées en floc et sont donc en contact beaucoup plus direct avec la pollution et l’oxygène. De ce fait, la proportion de bactéries actives vis-à-vis de la pollution est beaucoup plus impor-
Autant dans le BRM® que celle habituellement rencontrée dans un système classique de boues activées floculées.
- - En second lieu, les passages répétés des bactéries dans les membranes conduisent à d'importantes contraintes mécaniques qui sollicitent les parois des bactéries. C’est ainsi que la principale consommation d’énergie au niveau de la bactérie n’est pas destinée à sa multiplication (comme dans les systèmes traditionnels). C’est ainsi que s’explique la moindre production de boues en excès.
En conséquence, on comprend bien pourquoi, grâce à la filtration tangentielle, le BRM® produit moins de boues en excès (20 à 50 %) qu’un système de boues floculées. Ceci permet donc de diminuer de façon sensible le coût d’exploitation global de la station puisque les boues représentent souvent un des points les plus importants.
Filtration tangentielle : sécurité et maîtrise totale du système
La filtration tangentielle est basée sur le principe : « mieux vaut prévenir que guérir ». En effet, le balayage permanent de la membrane évite son colmatage, c’est-à-dire l’accumulation d’un dépôt (bactéries …) sur celle-ci. Ce balayage est assuré par une pompe de recirculation de capacité supérieure au débit d’eau traitée.
Une régulation de débit et de pression assure la conservation dans le temps des performances du bloc membrane et surtout la parfaite maîtrise et l’efficacité de la filtration des membranes. Au contraire, la filtration frontale ne permet pas une aussi bonne maîtrise des flux transmembranaires et, malgré des lavages fréquents, peut conduire à un encrassement par les boues, les graisses ou d’autres composés… Le problème de cet encrassement est très délicat, car il s’effectue en profondeur et devient donc difficile à nettoyer. Il peut même conduire petit à petit à un colmatage irréversible nécessitant le remplacement prématuré des membranes. La réalisation de ce colmatage est totalement imprévisible puisque notamment liée à la nature de l’effluent brut. Ce dernier peut en effet évoluer dans le futur ou contenir un polluant accidentel.
Nettoyage : efficacité, simplicité et automatisme
Dans tout procédé de filtration membranaire, il est toujours nécessaire de nettoyer périodiquement la membrane afin de restaurer ses performances initiales et d’éliminer les dépôts organiques et minéraux.
Le lavage du bloc membrane s’effectue au moyen de la pompe de recirculation qui va balayer de façon homogène la totalité de la surface membranaire. On aura donc un état de surface propre identique en tout point de la membrane. Il n’y a pas de disparités d’état de la membrane (zone colmatée et zone filtrante) comme on peut le constater avec d’autres procédés de nettoyage.
Le lavage du BRM® est totalement automatique grâce à la station de Nettoyage En Place (NEP). Les lavages durent environ une heure et ont lieu une à quatre fois par mois de façon préventive. Le déroulement automatique des différentes séquences de lavage ne nécessite pas la présence d’un opérateur. Les modalités de lavage peuvent être aisément modifiées par l’exploitant en fonction de ses exigences, des conditions de fonctionnement de l’installation et de la qualité de l’effluent. Enfin, les membranes étant montées sur skid à l’intérieur d’un bâtiment, elles sont d’un accès très facile permettant tout contrôle et manipulation (module unitaire de 1 m de long et 350 mm de diamètre).
Le lavage du BRM® est une opération marginale en termes de temps, de coût et d’impact sur la station.
Il est simple et ne nécessite pas de rétro-lavage, de contre-lavage, d’injection d’air ou de manutention.
Les eaux sales de lavage sont neutralisées et renvoyées en tête de station. Elles représentent moins d’1 % du débit traité.
Durant 99 % du temps, les membranes produisent de l’eau traitée. Le lavage les immobilise pendant moins d’1 % du temps.
Les réactifs de lavage représentent un coût négligeable dans le bilan d’exploitation du BRM*.
Membranes minérales : solidité, sécurité et durée de vie
Les membranes du BRM* sont de type minérales (céramique). Elles sont très résistantes à toutes les agressions : thermiques (plus de 100 °C), mécaniques (écrasement, décollement…) et chimiques (solvant, chlore, oxydants, pH…).
Il est donc possible, si cela s’avère nécessaire, de réaliser des lavages « durs » (pH 0 à 14, haute température, oxydants et solvants acceptés sans problème, etc.).
Les membranes minérales offrent une sécurité maximale, notamment face à un colmatage accidentel par des particules indésirables, puisque la possibilité de « lavages durs » permettra de récupérer les caractéristiques initiales de la membrane minérale. Ceci est quasiment impossible avec des membranes organiques.
De même, la durée de vie des membranes minérales est par expérience particulièrement longue. En effet, des membranes minérales sont en service depuis plus de 10 ans sans avoir été renouvelées. Le vieillissement d’une membrane (minérale et surtout organique) est fonction des conditions d’exploitation, de l’agressivité de l’effluent à traiter et des lavages effectués (type et fréquence).
Au vu des conditions extrêmes que supportent les membranes minérales (voir plus haut), il est clair que le choix de membranes minérales est un gage de sécurité et de fiabilité de la station de traitement.
C’est parce qu’elles constituent un outil de travail à caractère véritablement industriel que le BRM* a été développé avec des membranes minérales.
Exemples de diverses applications
Suite aux divers essais pilotes et stations réalisées par Degrémont durant ces cinq dernières années, voici un échantillon d’exemples concrets. Ceux-ci concernent des applications dans les domaines aussi différents que l’industrie cosmétique, la papeterie, la pharmacie, l’agro-alimentaire, les lixiviats de décharge et les eaux résiduaires urbaines.
La principale conclusion est que, comparé à un traitement classique par boues activées, il permet toujours d’obtenir :
- une meilleure qualité d’eau : zéro matière en suspension, DCO plus faible, etc. ;
- des performances durables dans le temps : maintien de la qualité malgré les variations de l’effluent brut ;
- un rapide rétablissement après un accident : les boues qui sont très bien adaptées à l’effluent ne peuvent quitter le système puisque les membranes sont une barrière infranchissable.
Exemple 1 : Industrie cosmétique pharmaceutique
Cette industrie du sud de la France avait une contrainte forte : l’eau traitée par la station
Tableau 1 : Industrie cosmétique pharmaceutique
| Boues activées classiques / BRM* |
| - DCO entrée : 2 000 à 6 000 mg/l / 2 000 à 6 000 mg/l |
| - DCO/DBO₅ moyen : 1,7 / 1,7 |
| - Temps de séjour hydraulique : 10 jours / 2 jours |
| - Volume d’aération : 1 000 m³ / 20 m³ |
| - DCO sortie : 380 mg/l(1) / 150 mg/l |
(1) 820 mg/l avec en plus un traitement physico-chimique (forte consommation de réactif)
Tableau 2 : Industrie papetière
| Boues activées classiques / BRM* |
| - DCO entrée : 5 000 à 8 000 mg/l / 5 000 à 8 000 mg/l |
| - DCO/DBO₅ moyen : 2,2 / 2,2 |
| - Temps de séjour hydraulique : 6 jours / 2 jours |
| - Volume d’aération : 1 000 m³ / 330 m³ |
| - DCO sortie : 700 mg/l / 30 mg/l |
| - NH₄ sortie : 15 mg/l / 10 mg/l |
| - MES sortie : 30 mg/l / 0 mg/l |
Tableau 3 : Industrie agro-alimentaire
| Boues activées classiques | BRM® |
|---|---|
| • DCO entrée : 4 000 à 5 000 mg/l | 4 000 à 5 000 mg/l |
| • DCO/DBO5 moyenne : 1,7 | 1,7 |
| • Volume d’aération : 6 000 m³ | 1 000 m³ |
| • Surface au sol : 1 700 m² | 400 m² |
| • DCO sortie : 50 mg/l | 40 mg/l |
| • Régularité : NON (MES) | OUI |
se rejette dans une rivière classée, les normes de rejet sont donc très contraignantes (Tableau 1).
On voit bien dans ce tableau que, malgré un dimensionnement très supérieur (bassin d’aération cinq fois plus grand) ainsi qu’un traitement tertiaire physico-chimique (avec ajout de charbon actif), le traitement par boue activée classique ne parvient pas à produire une eau de qualité similaire à celle du BRM®.
Exemple 2 : Industrie papetière
Au vu du tableau, il est clair que les performances du BRM® sont bien meilleures et surtout beaucoup plus stables. En effet, les variations de l’effluent brut et les pics de pollution ont un impact négatif important sur les boues activées classiques, alors que le BRM® résiste beaucoup mieux à ces variations (Tableau 2).
Exemple 3 : Industrie cosmétique
On constate que, malgré une DCO à l’entrée variable en concentration (2 000 à 5 000 mg/l) et en qualité, la DCO en sortie reste à une valeur moyenne de 70 mg/l et toujours inférieure à la norme (150 mg/l). Bien que toutes les dispositions (procédures et matériels de sécurité) aient été prises, le risque zéro n’existe pas. C’est ainsi que, sur une période de 3 ans sans souci, l’accident imprévisible est arrivé. En l’occurrence, l’usine a rejeté une pollution exceptionnellement concentrée suite au déversement d’une cuve de produit. La conséquence immédiate de cet accident est un rejet non conforme. Cependant, la norme de rejet a très rapidement (en quelques jours) été retrouvée. Avec une boue activée classique, la station aurait été déstabilisée sur plusieurs semaines (ou mois) durant lesquelles la qualité d’eau aurait été bien plus mauvaise. De plus, le rétablissement d’une station classique nécessite le travail attentionné d’un spécialiste.
En conclusion, on peut retenir que l’accident est toujours possible et que le BRM® présente une meilleure sécurité qu’un système classique.
Exemple 4 : Industrie agro-alimentaire
Pour cette laiterie de la région parisienne, les principales raisons pour avoir choisi le BRM® sont :
- - sa compacité : 4 à 5 fois plus petit qu’une solution classique. Cette compacité permet d’économiser les surcoûts dus au génie civil (excavation, pieux, …) ;
- - sa grande fiabilité dans la qualité de l’eau traitée : pas de fuite de MeS, garantie d’un rejet conforme aux normes en vigueur pour la rivière classée sensible avec un objectif de “qualité 1” ;
- - son faible impact sur le milieu extérieur : peu de boues en excès, pas d’aérosols ni de nuisances sonores ou esthétiques (Tableau 3).
Exemple 5 : Lixiviats de décharge
Comparé à un traitement classique (lagunage ou physico-chimique + aération), le BRM® permet :
- - d’obtenir des performances similaires ou meilleures mais avec une plus grande régularité et en occupant une plus petite place au sol ;
- - de rejeter une eau exempte de matières en suspension, ce qui optimise les performances et le dimensionnement des traitements finaux : ozonation, osmose inverse ou autre (Tableau 4).
Tableau 4 : Lixiviats de décharge
| Entrée lixiviat brut | Sortie ultrafiltration | Sortie osmose | |
|---|---|---|---|
| DCO (mg/l) | 2 250 | 1 265 | 10 |
| DBO5 (mg/l) | 250 | 12 | <5 |
| NTK (mg/l) | 1 480 | 45 | 1 |
| pH | 8 | 8 | 5,7 |
| Cl– (mg/l) | 2 100 | 2 000 | 80 |
| SO4 (mg/l) | 504 | 125 | 110 |
| Fe (mg/l) | 6 | 5,2 | LD |
| Zn (mg/l) | 0,2 | <0,2 | LD |
| Ni (mg/l) | 0,15 | 0,15 | LD |
| Cd (mg/l) | 0,17 | 0,05 | LD |
| Cu (mg/l) | 0,1 | 0,1 | LD |
| Al (mg/l) | 0,4 | 0,1 | LD |
LD : limite de détection
Exemple 6 : Eau résiduaire urbaine
Comparé à une station classique par boues activées, les intérêts du BRM® sont :
- - une eau traitée parfaitement limpide, dépolluée et désinfectée ;
- - cette excellente qualité se vérifie en permanence (fiabilité) et permet une réutilisation pour diverses applications (arrosage de golf, etc.) ;
- - une grande compacité (60 m² au sol pour 1 200 équivalent-habitant, soit 190 m³/j) permettant de réaliser la station dans un bati-…
Tableau 5 : Eau résiduaire urbaine
| Eau brute | Eau traitée par BRM® | |
|---|---|---|
| • DCO | 770 mg/l | <30 mg/l |
| • DBO5 | 385 mg/l | <5 mg/l |
| • NH4 | 100 mg/l | <2 mg/l |
| • MES | 580 mg/l | 0 mg/l |
| • Coliformes | 100 000 UFC/ml | 0 UFC/ml |
ment intégré au site (esthétisme, pas de bruit et d’odeur),
- - un intérêt économique : le BRM® se situe au centre de la ville : il nécessite moins de terrain, moins de réseaux, moins de fondations spéciales et moins de voiries qu'une station classique.
C'est pour l'ensemble de ces raisons que la ville de Villefranque a choisi de réaliser un BRM® pour traiter ses effluents.
Conclusion
En 1997, plus d’une dizaine de sites ont adopté le procédé car c’est lui qui a le mieux résolu le problème posé. Ces références concernent de nombreuses applications, comme les lixiviats de décharges, l’industrie chimique, l’agro-alimentaire, l’eau résiduaire urbaine, l’eau potable, ... Des essais pilotes ont aussi été réalisés et ont validé cette solution dans d'autres domaines comme l’industrie pharmaceutique, la papeterie, ...
Le BRM® peut constituer la solution la mieux adaptée à votre cas particulier, mais il n’est évidemment pas la solution pour tous les problèmes. On ne peut donc pas parler du coût du BRM® par rapport aux solutions classiques de façon générale. Chaque cas permettra de juger de l’opportunité de cette solution par rapport à une solution classique. La comparaison doit se faire tant au niveau de :
- - l'investissement global : station de traitement, mais aussi canalisation, achat de terrain, qualités géologiques du sol, intégration dans le site, ...,
- - que du bilan d’exploitation global : main-d’œuvre, boues en excès, renouvellement du matériel, consommation électrique, réactifs, ...,
- - et en tenant compte d'autres critères difficilement quantifiables mais néanmoins importants : fiabilité, sécurité, esthétique, anticipation du futur.
Pour conclure, on peut dire que le BRM® se caractérise par les avantages suivants :
- - excellente qualité de l’eau traitée, même pour des effluents concentrés et réputés difficiles,
- - sécurité de l’installation, notamment grâce aux membranes céramiques,
- - grande compacité et modularité du procédé, donc faible emprise au sol et extensions futures aisées, faible production de boues et facilité d’exploitation.
Les réalisations actuelles montrent bien qu’il est la station du futur et qu’il devrait permettre de mieux protéger l’environnement et de mieux répondre à vos contraintes.
