Traitement d'effluents complexes par DAF et filtration tangentielle

• 1. introduction
• 2. DAF et filtration tangentielle
• 3. Comparaison des deux technologies
• 4. Résumé

1. introduction

Les technologies de traitement des eaux usées visent à séparer les éléments ou les composés qui contribuent à la formation de polluants indésirables dans l'environnement.

Bien qu'il existe de multiples technologies pour traiter les eaux usées (physico-chimiques, biologiques, oxydation, filtration, etc.), nous nous concentrerons sur celles qui visent à récupérer les composés les plus précieux ou à séparer ceux qui posent problème en raison de leur toxicité, de leur faible biodégradabilité, de leur densité, de leur viscosité, de leur température ou de leur pH extrêmes.

De nombreuses techniques de traitement des eaux usées sont abandonnées en raison de leur inefficacité à traiter certains polluants tels que les solvants, les huiles et les graisses, les hydrocarbures, les rejets extrêmement acides ou alcalins, les effluents à haute ou basse température, etc.

D'autre part, d'autres facteurs, tels que les performances de séparation attendues, la consommation d'énergie, la réutilisation de l'eau ou la récupération des ressources, déterminent si une technologie est adaptée ou non à la solution à mettre en œuvre.

Deux technologies offrent d'excellentes performances pour le traitement d'une large gamme de polluants :

• Flottation à l'air dissous (DAF)
• Séparation par filtration tangentielle

Il s'agit de deux technologies très différentes qui ont des applications pour le traitement d'une grande variété d'effluents.

2. DAF et filtration tangentielle

Ces technologies sont compatibles avec le traitement de certains effluents complexes et leur application, séparément ou en combinaison, dépendra du type et de la concentration des polluants à séparer et de la performance de traitement souhaitée.

La flottation à l'air dissous (FAD) est un procédé physico-chimique de clarification des eaux usées, très efficace pour traiter les rejets contenant des matières en suspension en général, et particulièrement efficace pour les composés de faible densité. Cette technologie permet de séparer les substances en suspension et les colloïdes contenus dans les effluents, qui ont été préalablement floculés.

Le procédé consiste à injecter de l'air sous pression dans une partie de l'eau clarifiée, qui est recirculée et pressurisée dans un réservoir. Cette eau est mélangée à l'effluent qui entre dans le flotteur, générant un entraînement des polluants en suspension. Lorsque l'air injecté est dépressurisé, sous forme de microbulles de l'ordre de 50 µm, il adhère aux particules floculées et les fait remonter à la surface, où se forme un manteau surnageant qui est éliminé par une balayeuse ou un écrémeur.

Effluent DAF Système de flottation

Les systèmes DAF sont une technologie courante dans les usines de traitement des effluents industriels et municipaux. Ils sont utilisés pour éliminer les solides en suspension, les huiles et les graisses, ainsi que de nombreux autres polluants présents dans les eaux usées industrielles (chimiques, alimentaires, pétrolières et gazières, etc.)

Dans certaines applications, la flottation à l'air dissous peut être utilisée pour récupérer des produits de valeur à partir de certains effluents, tels que des huiles ou des protéines, en raison de son faible impact chimique et de la concentration élevée des boues séparées (4-6 %).

La filtration tangentielle est un processus physique dans lequel le fluide d'alimentation s'écoule parallèlement à la surface d'une membrane. Dans ce processus, les solides insolubles, les colloïdes, les émulsions, les molécules et les ions présents dans le fluide sont séparés du fluide, qui s'écoule à grande vitesse, ce qui réduit l'encrassement des membranes. Il s'agit d'un avantage indéniable par rapport au processus de filtration frontale, qui est beaucoup plus sensible à l'encrassement et au colmatage.

Il existe trois types de membranes utilisées dans les systèmes de filtration tangentielle :                 

• Membranes enroulées en spirale autour d'un collecteur central perforé, formant des modules de filtration en spirale. Elles sont utilisées dans les industries laitière, alimentaire et pharmaceutique pour la clarification, la concentration et la purification d'ingrédients précieux.
• Membranes à fibres creuses. Elles ont une structure unique qui permet de mieux contrôler le débit et le rejet pendant la production et le nettoyage. Elles sont utilisées pour l'ultrafiltration et la microfiltration.
• Membranes tubulaires. Elles sont constituées d'enveloppes cylindriques contenant un nombre variable de fibres creuses. Le flux latéral du perméat traverse les parois, tandis que le concentré est récupéré à l'extrémité opposée à l'alimentation. ,          

Membranes céramiques

Il s'agit d'une technologie très efficace pour l'élimination des huiles, des graisses et des micropolluants en général.

Ces membranes se caractérisent par leur grande hydrophilie, attirant l'eau et rejetant l'huile. Ce comportement offre d'excellents résultats dans le processus de filtration, permettant d'obtenir une eau traitée de haute qualité. Il s'agit d'une technologie robuste et compacte, qui produit de l'eau pouvant être réutilisée directement, ou traitée à nouveau par osmose inverse si les sels dissous doivent être éliminés.

Les flux de perméat sont nettement supérieurs à ceux obtenus avec les membranes polymères, qui sont hydrophobes par nature. Il convient également de souligner la grande résistance mécanique, thermique et chimique du matériau céramique, qui lui permet de fonctionner dans des conditions de pH et de température extrêmes (par exemple, dans le traitement des bains de dégraissage). Ces caractéristiques permettent également d'appliquer des protocoles de nettoyage permettant d'obtenir une régénération plus efficace.

Le fonctionnement est mesuré par cycles (régime discontinu), étant donné que les membranes s'encrassent et que, à chaque période prédéterminée, un lavage chimique doit être effectué, qui utilise généralement des réactifs très agressifs pour rétablir les conditions de fonctionnement du système. En outre, comme il s'agit d'un système de filtration tangentielle, il doit fonctionner à des débits de recirculation très élevés pour éviter le colmatage, ce qui implique des installations coûteuses et énergivores.

Les membranes céramiques sont principalement composées d'alumine tabulaire (αAl _2O3) et de carbure de silicium (SiC), toujours à des températures de frittage élevées (1 800-2 000 ºC). Bien qu'il existe également des modèles de membranes plates pour des applications spécifiques, ces membranes sont généralement de forme tubulaire.

Les membranes céramiques peuvent être fournies dans différentes configurations en fonction du nombre de canaux qui les traversent. Ainsi, pour les effluents chargés ou présentant une viscosité plus élevée, on utilise généralement des membranes comportant un plus petit nombre de canaux de grande taille, tandis que pour les effluents plus fluides et moins chargés, on utilise des membranes comportant plus de canaux et de plus petite taille. Les membranes avec plus de canaux ont une surface de filtration équivalente plus grande.

Afin de garantir une conception correcte de l'installation, il est conseillé d'effectuer des tests ou des essais pilotes avec le liquide à traiter.

L'ensemble de la membrane est logé dans des boîtiers en acier inoxydable avec des joints en élastomères adaptés au fluide et au nettoyage (généralement du viton ou du PTFE).

Applications des membranes céramiques :

• Traitement des eaux usées municipales. Les membranes céramiques sont utilisées pour la filtration des solides en suspension, des bactéries et des virus dans les eaux usées municipales. Elles sont également utilisées pour l'élimination des nutriments tels que l'azote et le phosphore.
• Traitement des eaux usées industrielles. Les membranes céramiques sont utilisées pour traiter les effluents industriels complexes, tels que ceux générés par les industries chimiques, pharmaceutiques et alimentaires.
• Ils sont utiles pour séparer les contaminants et récupérer les produits de valeur.
• Réutilisation de l'eau. Les membranes céramiques permettent de réutiliser en toute sécurité l'eau traitée pour l'irrigation et les processus industriels.

Schéma de la filtration tangentielle des effluents

3. Comparaison des deux technologies

Étant donné que nous avons affaire à un effluent complexe, qui présente des difficultés significatives à être traité par des procédures physico-chimiques ou biologiques conventionnelles, nous comparons les performances et la viabilité des systèmes DAF par rapport à la filtration sur céramique.

Flottation DAF

La flottation à l'air dissous (DAF) offre les avantages suivants :

• Processus continu. La purge et la séparation des matières décantées et flottantes sont effectuées en même temps que l'opération.
• Séparation élevée des huiles et des graisses, ainsi que des composés de faible densité tels que les solvants et les hydrocarbures.
• Concentration élevée de MS dans les boues séparées, car les flocons sont séparés et l'entraînement d'eau est faible. Cette concentration élevée facilite la récupération des produits de valeur. Si un système d'évaporation ou de cristallisation ultérieur est nécessaire, le coût et la taille d'une telle installation seront bien moindres.
• Faible coût énergétique. Les seules consommations significatives sont celles de la pompe de recirculation et du compresseur pour la pressurisation de l'air, mais le débit à saturer est faible (environ 1/10 de l'entrée Q).
• Charges de fonctionnement et vitesses de levage élevées, permettant de traiter des débits d'eaux usées très importants dans un espace réduit.
• Coûts d'installation et d'entretien modérés, notamment par rapport à la technologie de filtration par membrane céramique.

Les inconvénients par rapport au traitement avec des membranes céramiques sont les suivants :

• Performances d'épuration modérées. La flottation à l'air dissous est considérée comme un traitement primaire, tandis que les membranes céramiques sont considérées comme un traitement final. Le taux de séparation d'un système DAF peut être supérieur à 90 %, tandis que les membranes dépassent facilement 99 %.
• La taille des matières en suspension qui s'échappent. Elles seront variables et mal contrôlées dans un système DAF. Il n'est pas possible de parler d'une taille limite, car celle-ci est uniquement attribuable à un processus physique de filtration à différents niveaux. Cependant, avec un pré-système de coagulation/floculation correct, on obtiendra une fuite de SS réduite, ce qui, en fonction des exigences du client, peut être suffisant.

Membranes céramiques

Les principaux avantages des membranes céramiques sont les suivants :

• Stabilité thermique. Ils peuvent résister à des températures élevées.
• Compatibilité chimique. Ils sont résistants aux milieux agressifs.
• Résistance mécanique. Ils sont fabriqués à partir de matériaux céramiques tels que le corindon, ce qui leur confère une dureté et une résistance mécanique élevées, garantissant une longue durée de vie.
• Eau traitée de haute qualité. Ce type de membrane permet d'obtenir une eau traitée de haute qualité, ce qui permet dans de nombreux cas de la réutiliser ou de l'exploiter.
• Configuration. Les membranes céramiques peuvent comporter des couches sélectives, intermédiaires et de support, ce qui permet d'obtenir différents degrés de filtration.                                         

En ce qui concerne les inconvénients, il convient de mentionner

• Fragilité. Ils sont peu résistants aux chocs thermiques et mécaniques.
• Coût d'investissement initial élevé.
• Coût de remplacement élevé. Les membranes céramiques sont relativement chères, mais leur durée de vie est très longue et il n'est donc pas nécessaire de les remplacer fréquemment.
• Coûts énergétiques élevés. Les pompes de recirculation de ces membranes fonctionnent avec des débits très élevés, ce qui implique une forte consommation d'énergie.
• Fonctionnement discontinu. Les membranes fonctionnent par cycles d'encrassement et de nettoyage, ce qui nécessite des réservoirs intermédiaires et un surdimensionnement pour permettre une continuité, ou une ligne de réserve.

Tableau comparatif des rendements et des avantages

Processus	Opération	Séparation SS (%)	Degré d'écart (µm)	Récupération de l'eau Q (%)
DAF	Continuo	≥ 90	Environ 100	≥99
Filtration tangentielle céramique	Discontinu	≥ 99	≤0,1	≥90

Tableau comparatif des coûts et de la consommation

Processus	Coût de l'installation	Consommation de réactifs	Consommation d'énergie (kW/m3)	Plage de débit (m3/h) (*)
DAF	1	Coagulants + floculants	≤ 0,3	1 - 100
Filtration tangentielle céramique	10	Agents de nettoyage	≤ 3	0,1 - 1

4. Résumé

En guise de comparaison entre les procédés, nous pouvons résumer que, tandis que la filtration à flux croisés s'appuie sur des membranes pour séparer les particules du fluide, la DAF utilise des microbulles d'air pour séparer les particules en suspension dans l'eau.

Les deux procédés sont distincts mais peuvent être appliqués à des rejets complexes tels que les huiles, les graisses, les hydrocarbures, les solvants et les rejets hautement toxiques. Ils peuvent également être utilisés pour récupérer des matériaux précieux dans l'industrie pharmaceutique et l'industrie des métaux précieux, entre autres.

Comme le montrent les informations ci-dessus, les deux solutions ont des coûts d'installation et de fonctionnement très différents, de même que les degrés d'efficacité qu'elles permettent d'atteindre.

Dans certains cas, un étage de flottation DAF primaire peut être utilisé, suivi d'un système d'ultrafiltration avec des membranes tangentielles, afin de combiner les avantages des deux technologies.

Bibliographie et consultations

http://www.membranesamta.org/amta_media/pdfs/MFUF.pdf, junio 2006

AMERICAN MEMBRANE TECHNOLOGY ASSOCIATION (ASSOCIATION AMÉRICAINE POUR LA TECHNOLOGIE DES MEMBRANES).

La FAD dans le traitement des eaux usées : comprendre son importance et son fonctionnement | Water Institute

Système DAF pour le traitement des eaux usées