Conception des usines BRM

2024-10-17

Données de conception

Vous trouverez ci-dessous la liste des paramètres les plus importants qui sont nécessaires pour concevoir correctement un système BRM (bio-réacteur à membrane) :

Débit alimentation :

• Débit journalier moyen ;
• Pic horaire;

Qualité de l’alimentation :

• Non ioniques : Solides en suspension totaux (MES), Solides en suspension volatils (SSV), Demande biologique en oxygène sur 5 jours (DBO5), Demande chimique en oxygène (DCO), Azote organique total (NTK), Phosphore total (PT), huiles et graisses (animales et végétales ainsi que minérales) ;
• Ionique : ammonium, nitrates, phosphates, calcium, alcalinité ;
• Autres : Température, pH

Autres considérations : qualité cible de l’effluent, redondance, empreinte au sol disponible, installations existantes.

Bien sûr, d’autres paramètres peuvent être nécessaires, en fonction de l’application spécifique.

Aspects de conception à l’échelle de l’usine

Prétraitements

Les directives générales de prétraitement suivantes doivent être suivies :

• ‘Les eaux usées entrantes doivent être prétraitées mécaniquement pour l’élimination des particules grossières à l’aide d’un tamis fin adapté (maille ou trou perforé) ;
• Les eaux usées entrantes doivent être prétraitées pour éliminer le sable (si nécessaire) ;
• Les concentrations d’huiles et graisses dans l’influent doivent être inférieures à 100 ÷ 150 mg/L ;
• Les concentrations d’huiles et graisses minérales dans l’influent doivent être inférieures à 10 mg/L ;
• Les concentrations de calcium dans l’influent doivent être inférieures à 200 mg/L ;
• Le pH des eaux usées entrantes et les concentrations en macro-nutriments doivent être corrigés afin d’assurer le développement d’une boue activée saine (si nécessaire) ;
• Les composés toxiques de l’influent doivent être éliminés pour assurer le développement d’une boue activée saine (si nécessaire).

Dégrillage fin

En fonction de la taille des solides grossiers présents dans les eaux usées brutes, un tamis fin peut être précédé d’un tamis grossier (6 ÷ 10 mm) afin d’éviter des lavages à contre-courant trop fréquents du tamis fin.

Réacteurs biologiques

• Les méthodes de conception et les valeurs des coefficients cinétiques sont similaires à celles des systèmes conventionels;
• De plus, la production de déchets de boue activée est similaire aux systèmes conventionels ayant des valeurs d’âge de boues similaires ;
• Les valeurs typiques de concentration de la biomasse sont égales à 6 ÷ 12 kg MES/m3 (dans le cas de systèmes immergés) ou à 10 ÷ 40 kg MES/m3 (systèmes sidestream). De toute évidence, cela a un impact sur le transfert d’oxygène, où le coefficient α diminue avec l’augmentation de la teneur en biomasse ;
• Le temps de rétention des boues doit être supérieur à 8 ÷ 12 jours et inférieur à 50 ÷ 60 jours afin d’améliorer la filtrabilité des liqueurs mixtes ;
• Une nitrification complète doit être obtenue (le cas échéant), de sorte que les matières organiques biodégradables aient été éliminées et, par conséquent, que le potentiel d’encrassement correspondant ait été minimisé ;
• Dans le cas où une dénitrification est nécessaire, des dispositions doivent être prises pour minimiser l’oxygène dissous recyclé. Par exemple, un réservoir de désoxygénation peut être ajouté ou deux flux de recyclage distincts peuvent être utilisés ;
• Dans le cas de systèmes immergés, la capacité de retour des boues doit être conçue pour éviter que le contenu des solides en suspension de la liqueur mixte (MLSS) dans le réservoir de filtration ne dépasse à tout moment 15 ÷ 20 kg/m³

De plus, les limites suivantes doivent être prises en compte pour les eaux usées d’alimentation et les liqueurs mélangées :

Paramètre	Unité	Valeur
Température de l’eau	°C	5 ÷ 37
pH	–	6.5 ÷ 8.0
Temps de rétention des boues (ou âge des boues)	d	12 ÷ 60
Rapport aliments/masse	kg COD/(kg SS·d)	0.08 ÷ 0.30
Concentration des matières en suspension dans la liqueur mixte	kg MES/m3	6 ÷ 12 (immergé), 15 ÷ 40 (sidestream)
Temps de filtration de la liqueur mixte	s	50 ÷ 200
Concentration d’azote ammoniacal dans l’effluent	mg NH4+-N/L	< 1
Oxygène dissous	mg O2/L	> 1.5

Unité de filtration membranaire

Sur la base des données de conception (à la fois des eaux usées brutes et du réacteur biologique), nous dimensionnons l’unité de filtration membranaire de manière à ce que suffisamment de filtrat soit produit pour répondre aux exigences de capacité.

Selon le type de membranes utilisées, on distingue deux types de BRM :

Membranes immergées :

• Le réacteur biologique :

• Un réservoir de filtration dédié avec configuration pompe-depuis (gauche) ou pompe-vers (droite) :

• Membranes externes (ou sidestream) avec configuration à flux transversal pur (à gauche) ou à alimentation et purge (à droite) :

Habituellement, les BRM immergés sont utilisés dans les installations de taille moyenne à grande en raison de leur faible consommation d’énergie, tandis que les BRM externes (ou sidestream) sont utilisés dans les installations de petite à moyenne taille en raison de la faible consommation de produits chimiques et de la facilité d’installation et de maintenance.

En particulier, le dimensionnement implique les paramètres suivants :

• La durée des phases du cycle de filtration, qui comprennent :
  • Relaxation ;
  • Lavage à contre-courant – typique des systèmes immergés seulement ;
  • Interventions de nettoyage chimique ;
• Flux d’eau, le débit extrait par unité de surface de membrane. Dans le cas de membranes immergées, deux flux de production différents sont définis :
  • Le flux net fait référence à la production « réelle » de membranes, prenant en compte les interventions de relaxation, de lavage à contre-courant et de nettoyage chimique. Il est utilisé pour dimensionner la surface membranaire.
• Le flux brut est le débit extrait instantané. Il est utilisé pour dimensionner les pompes d’extraction de filtrat ;

De même, si les membranes sont lavables à contre-courant, les flux de lavage à contre-courant et de nettoyage chimique doivent également être définis ;

• La pression transmembranaire (PTM), la force motrice nécessaire pour traverser la membrane :
  • Dans les systèmes immergés, cela dépend du niveau de liqueur mixte dans la cuve de filtration ainsi que de l’aspiration appliquée par la pompe d’extraction de filtrat ;
  • Dans les systèmes externes (sidestream), elle dépend de la pression d’alimentation appliquée et des pertes de charge à l’intérieur des modules membranaires (qui dépendent principalement du diamètre des tubes membranaires ainsi que de la capacité de flux transversal) ;
• La perméabilité à l’eau, la capacité de la membrane à être traversée par la phase liquide. Cela équivaut au rapport entre le flux de production et la PTM ;
• Flux solide, la charge de solides appliqués par unité de surface de membrane. Ceci est égal au produit du flux de production d’eau et de la teneur en MLSS ;
• Température de la liqueur mixte. Plus la température est élevée, plus la viscosité du liquide est faible et plus la perméabilité à l’eau qui en résulte est élevée. À la même valeur PTM, cela se traduit par une augmentation du flux, environ 3 % par °C.

En ce qui concerne les paramètres de l’eau traitée, l’unité de filtration membranaire étant un dispositif de séparation solide-liquide, on obtient généralement < 2 mg MES/L, < 0,5 NTU et SDI5 < 3. Tous les autres paramètres (DCO, DBO5, azote, phosphore, etc.) dépendent de la bonne conception et du bon fonctionnement de l’unité biologique ainsi que des caractéristiques des eaux usées d’alimentation.

Les BRM immergés nécessitent une cuve de filtration et sa forme et ses dimensions sont généralement données par le fournisseur de membranes. Cette forme et ces dimensions découlent des exigences suivantes :

• Assurer un effet d’aération adéquat à l’intérieur des cassettes/modules membranaires. La plupart des fournisseurs exigent une couverture de sol ne dépassant pas 65 % ainsi qu’un certain espace entre les membranes et le fond du réservoir et un certain niveau d’eau au-dessus du point supérieur des membranes ;
• Minimiser l’augmentation de la concentration MLSS le long de la cuve. Pour cette raison (et d’autres), la plupart des fournisseurs limitent le nombre de modules/cassettes dans une seule cuve ;
• Éviter les volumes morts et minimisez le volume global de liquide. En particulier, ce dernier est pour minimiser la consommation de produits chimiques lors des interventions NEP ;
• Permettre la vidange complète de la cuve. Pour cette raison, le fond de la cuve est généralement en pente (pente d’environ 2%) et mène à un puisard ;
• Éviter d’endommager les membranes. Les fournisseurs donnent des directives sur la façon d’alimenter la cuve pour éviter que le flux de liquide correspondant n’ait un impact direct sur les membranes ;
• Laisser la mousse et l’écume se déplacer à travers le système BRM. Les BRM agissent comme un piège à mousse et à écume parfait et n’affectent pas les performances du procédé. Cependant, la mousse et l’écume peuvent être une nuisance pour l’exploitation et doivent être éliminées avec les déchets de boues activées.

La surface intérieure de la cuve de filtration doit être spécialement recouverte afin de résister aux produits chimiques de nettoyage.

Bien sûr, les BRM externes ne nécessitent pas de cuves de filtration car les membranes sont installées dans des boîtiers dédiés, minimisant ainsi les efforts et les exigences d’installation.

Des réservoirs de rétention de filtrat sont nécessaires dans le cas de systèmes membranaires avec lavage à contre-courant ou dans le cas où le filtrat est utilisé comme eau d’appoint pour les solutions NEP. Les fournisseurs donnent des recommandations sur le volume minimum requis (généralement, 3 minutes car un temps minimum de rétention hydraulique est recommandé).

Les systèmes de filtration membranaire sont susceptibles d’être automatisés car la connaissance de plusieurs paramètres clés est nécessaire pour un bon fonctionnement. Au minimum, les paramètres suivants doivent être mesurés :

• Systèmes immergés :
  • Niveau de liqueur mixte à l’intérieur de la cuve de filtration ;
  • Pression en amont de la pompe d’extraction de filtrat ;
  • Température du filtrat.
  • Débit de filtrat ;

• Systèmes externes (sidestream) :
  • Niveau de liqueur mixte à l’intérieur de la cuve ;
  • Pression en aval de la pompe tangentielle ;
  • Débit de filtrat ;
  • Pression du filtrat ;
  • Débit de concentrat ;
  • Pression de recirculation interne ;
  • Température de filtrat ou de recirculation interne ;
  • Niveau d’eau à l’intérieur du réservoir de filtrat.

Les équipements suivants sont nécessaires pour assurer le bon fonctionnement du BRM :

• Systèmes immergés :
  • Pompes d’extraction de filtrat et de lavage à contre-courant : type centrifuge ou à lobes rotatifs ;
  • Pompes doseuses de produits chimiques : à membrane ou à piston ;
  • Souffleurs : centrifuges ou à lobes rotatifs ;
• Systèmes externes (sidestream) :
  • Pompes d’extraction de filtrat et (si nécessaire) de lavage à contre-courant : type centrifuge ou à lobes rotatifs ;
  • Pompes doseuses de produits chimiques : à membrane ou à piston.

La tuyauterie doit être adaptée au fluide :

• Systèmes immergés :
  • Extraction du filtrat : SS AISI304 (SS AISI316 avant la pompe d’extraction du filtrat) ;
  • Aération : SS AISI304 (SS AISI316 pour les pièces immergées) ;
  • Extraction des boues de vidange : SS AISI316 ;
  • Dosage des produits chimiques : PVC ;
• Systèmes externes (sidestream) :
  • Alimentation : AISI316 SS ou PVC ;
  • Recirculation : AISI316 en acier inoxydable ou en PVC ;
  • Extraction du filtrat : AISI304 SS ou PVC ;
  • Décharge de concentrat/rinçage : AISI316 SS ou PVC ;
  • Dosage des produits chimiques : PVC ;
  • Nettoyage : AISI316 SS ou PVC.