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WO2010073194A1 - Procede et installation pour la gestion du colmatage de modules membranaires et de membranes de filtration - Google Patents

Procede et installation pour la gestion du colmatage de modules membranaires et de membranes de filtration Download PDF

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WO2010073194A1
WO2010073194A1 PCT/IB2009/055807 IB2009055807W WO2010073194A1 WO 2010073194 A1 WO2010073194 A1 WO 2010073194A1 IB 2009055807 W IB2009055807 W IB 2009055807W WO 2010073194 A1 WO2010073194 A1 WO 2010073194A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
biofilm
thickness
membrane
water
rinsing
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/IB2009/055807
Other languages
English (en)
Inventor
Véronique BONNELYE
Francisco Fernandez Lopez
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suez International SAS
Original Assignee
Degremont SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Degremont SA filed Critical Degremont SA
Priority to AU2009332546A priority Critical patent/AU2009332546A1/en
Priority to US13/141,769 priority patent/US20110290723A1/en
Priority to EP09796820A priority patent/EP2370197A1/fr
Publication of WO2010073194A1 publication Critical patent/WO2010073194A1/fr
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Definitions

  • the invention relates to a method for the management of the clogging of membrane modules and filtration membranes, especially nanofiltration, ultrafiltration or reverse osmosis, for the desalination of water.
  • Water desalination systems are usually of the type with spiral modules comprising at least one membrane element implementing a desalination membrane and spacers (see in particular Handbook on the Technique Water - DEGRÉMONT, 10 èm ⁇ edition, Volume 2 pages 1042-1044).
  • Desalination membranes are used for the separation of dissolved compounds from a solvent.
  • the solvent is water
  • the dissolved compounds are chloride, sodium, sulfate, calcium, magnesium, and all other ions present in natural water or of industrial origin, as well as organic molecules, organic materials, organic micropollutants such as pesticides and herbicides, this list not being limiting.
  • These desalination membranes are susceptible to clogging (or fouling), and in particular to biological clogging (or biofouling): the microorganisms colonize the surface of the membranes as well as the membrane module constituents such as spacers (grids composite materials necessary to maintain the spacing between two membranes of a spiral module and the good hydraulics of the membrane elements). Clogging can also be caused by mineral compounds, clay particles, precipitates based on iron or manganese.
  • Clogging disrupts the flow along the desalination membrane, reduces the effect of the spacer and causes an increase in the polarization layer on the surface of the membrane.
  • This layer of polarization an area where the compounds retained by the membrane accumulate, causes an increase in the concentration and therefore the osmotic pressure on the surface of the membrane and thus causes a decrease in the effective pressure at filtration, of where a decline in production.
  • the increase in the polarization layer also gives rise to higher salt concentrations in the vicinity of the desalination membrane, and therefore an increase in the risk of precipitation of salts present in supersaturation.
  • Prior Art a / In order to limit the fouling (fouling) and biofouling (biocoating) of the reverse osmosis membranes of the water pre-treatment systems feeding the membrane elements are implemented.
  • c / Another method consists in carrying out a hyper-saline osmotic shock by sending on the membrane of the concentration side a brine concentration higher than the concentration of the water to be treated (French Patent Application No.
  • d Another method is to achieve an osmotic shock by applying a hypo saline solution. Bacteria grow in the feedwater of the desalination system and the concentrated side of the membrane has developed a metabolism resistant to high osmotic pressures. The contact with a water of very low osmotic pressure generates a phenomenon of direct osmosis and the lysis, bursting of the bacterial cells. Disadvantages of known methods
  • the aim of the invention is, above all, to provide a method for the management of the clogging of membrane modules and filtration membranes, more particularly of nanofiltration membranes, ultrafiltration or reverse osmosis membranes, for the desalination of water, which makes it possible to overcome the disadvantages of the different clogging management methods described above.
  • the object of the invention is, in particular, to provide a method for the management of the clogging of membrane modules which makes it possible to improve the productivity of filtered water, while preserving the life of the membranes and while limiting the water consumption of rinsing.
  • the method for managing the clogging of membrane modules and filtration membranes, more particularly nanofiltration, ultrafiltration or reverse osmosis membranes, for the desalination of water consists in performing successive rinses of the membrane module and of the membrane (s) for combating fouling, in particular biofouling, and is characterized in that:
  • - Rinsing is initiated at the latest when the evaluated thickness of the biofilm exceeds a predetermined predetermined set value for the thickness of the biofilm, - and rinsing is stopped at the earliest when the thickness of the biofilm has become less than a second. predetermined setpoint lower than the first, for the thickness of the biofilm.
  • the pressure drop of the membrane element is measured, and - flushing is initiated at the latest when the pressure drop exceeds a first predetermined set point value for the pressure drop,
  • the productivity of the membrane element which accounts for the clogging state of the membrane surface, is measured, and rinsing is initiated at the latest when productivity falls below a predetermined setpoint for productivity.
  • the rinse is carried out with water of low salinity, typically less than 1/10 salinity (one-tenth) of the salinity of the water supplied to the system in the production phase.
  • the rinsing is stopped as soon as the second setpoint value for one of the two parameters constituted by: the thickness of the biofilm,
  • the thickness of the biofilm can be evaluated continuously, or periodically, by a probe inserted in the water supply circuit to be filtered or in the concentrate circuit, the biofilm which develops on the probe being a good representation of the biofilm which is develops on the membrane elements.
  • the thickness of the biofilm can be evaluated on the basis of the change in the conductance, electrical or thermal, of the surface of the probe.
  • the material of the probe is selected to be close by its surface state to that of the desalination membrane on which the microorganisms develop.
  • the invention thus provides a method for combating fouling and biofouling which presents the least constraints, since the rinsing is carried out with water of low salinity, while limiting to just sufficient values the frequency and the duration of rinsing according to specific parameters, which reduces the time spent on rinsing and the consumption of rinsing water, while maintaining good productivity.
  • the parameters taken into account are of three types, which take into account the state of clogging of the system: the thickness of the biofilm measured by a specific sensor dedicated for this purpose; the sensor consists of a probe which is inserted on the supply circuit or on the concentrat circuit, and makes it possible to measure the thickness of the biofilm developing on the surface of the probe, and this continuously; the pressure drop of the membrane element, which accounts for the clogging state of the membrane surface; the pressure drop corresponds to the pressure difference on either side of the membrane element, that is to say the pressure difference between the concentrate portion and the feed portion; this pressure drop is normalized under hydraulic and temperature conditions;
  • productivity is the filtered water production rate of the desalination system; it is standardized by being brought back to standard conditions of salinity and temperature (according to the ASTM D4516 standard).
  • the invention also relates to an installation for implementing the method defined above, comprising at least one membrane module or a filtration membrane, a raw water supply pipe, an outlet for the concentrate and an outlet for the water.
  • treated water or filtrate characterized in that it comprises a probe inserted in the water supply circuit to be filtered or in the concentrate circuit to evaluate the thickness of the biofilm.
  • the thickness of the biofilm can be evaluated on the basis of the change in the conductance, electrical or thermal, of the surface of the probe.
  • the material of the probe is selected to be close by its surface state to that of the desalination membrane on which the microorganisms develop.
  • Fig. 1 is a partial diagram of a water treatment plant implementing the method of the invention.
  • Fig. 2 is a diagrammatic section, on a smaller scale, of a filtration unit comprising four spiral modules in series.
  • Fig. 3 is a section, on a larger scale, along the line III-III of FIG. 4 of a membrane spiral module of the installation of FIG. 1.
  • Fig. 4 is a longitudinal section, on a smaller scale, along the line IV-IV of FIG. 3 of the spiral module.
  • Fig. 5 is a diagram illustrating the results obtained with a pilot filtration unit operating according to the method of the invention, the time expressed in weeks being plotted on the abscissa and various quantities being plotted on the ordinate.
  • Fig. 6 is a diagram illustrating, in the same manner as FIG. 5, the results obtained with a pilot filtration unit whose membrane sealing management method is a conventional method with chemical washing, and
  • Fig. 7 is a diagram similar to that of FIG. 5 for a pilot filtration unit implemented with a conventional method for managing clogging by rinsing with slightly salty water.
  • a water desalination plant in particular seawater, which comprises a unit F membrane filtration.
  • the raw water supply is provided by a pump 1, the output of which is connected via a pipe 2 to the inlet of the filtration unit F.
  • the filtered water also called permeate, leaves the unit F by a pipe 3.
  • the concentrate which corresponds to the fraction retained by the unit F, is discharged via a pipe 4.
  • On the supply pipe 2 are installed:
  • a flowmeter 2d giving the flow of feed water
  • a pressure sensor 2p giving the pressure of the feed water at the inlet of the filtration unit
  • a flow meter 3d giving the permeate flow rate
  • a pressure sensor 3p giving the pressure of the permeate
  • a salinity sensor 3s giving the salinity of the permeate
  • a flowmeter 4d giving the flow rate of the concentrate
  • a salinity sensor 4s giving the salinity of the concentrate. All information provided by these sensors is sent to a control unit C, for example an appropriately programmed microcomputer.
  • the filtration unit F as illustrated in FIG. 3, is advantageously composed of several spiral modules ML..Mn arranged in series in a cylindrical envelope 5.
  • Such membrane spiral modules are known and described in particular in the Technical Handbook of Water DEGREMONT, io ⁇ m ⁇ edition Volume 2 ,, pages 1042-1043.
  • the other modules connected in series are similar.
  • the number n of modules of a unit F is generally between 4 and 8 inclusive.
  • the module M1 is shown schematically on a larger scale in FIG. 3 and 4.
  • This module comprises at least one membrane element 6 wound in a spiral.
  • the membrane element 6 is formed by a sandwich consisting of two flat 6a, 6b filtration membranes with rectangular contours.
  • a flexible porous sheet 7, also called a collector, is placed between the two flat membranes 6a, 6b.
  • the sandwich thus produced is sealed on three of the edges of the rectangular flat membranes 6a, 6b.
  • the edge 8 of the sandwich which remains open is welded to a cylindrical collector tube 9 on either side of a generatrix pierced with holes 10.
  • the phenomenon of clogging, in particular of biocoating, can thus affect not only the membranes 6a, 6b but also the spacer 11.
  • the thickness of the biofilm which is formed on the membranes 6a, 6b as well as on the spacer 11 is measured continuously by a sensor 2e constituted by a probe installed in situ in contact with the raw water while being mounted on line 2, as illustrated in FIG. 1, and / or another probe (not shown) in contact with the concentrate while being mounted on the conduct 4.
  • the measurement is based on the change of the conductance of the surface of the probe.
  • the quantities measured may be an electrical or thermal conductance, in particular by using a multi-electrode conductimetric micro-sensor of the company Neosens (French Patent No. 2,911,186).
  • the material of the probe is chosen to present a surface state closest to that of the desalination membranes 6a, 6b on which the microorganisms develop.
  • the signal is measured continuously, or periodically at varying intervals, depending on the sensitivity of the medium to promote the growth of the biofilm, including taking into account the temperature when it is high, and the presence of nutrients.
  • a 2dp sensor is installed between the inlet of the filtration unit F, on the pipe 2, and the outlet of the concentrate on the pipe 4 to provide the pressure drop dP corresponding to the pressure difference between the inlet of the filtration unit and the outlet of the concentrate.
  • This pressure drop dP corresponds to that created by the spacer 11 during the flow of the raw water which concentrates pollutant to the outlet 4.
  • the value of this pressure drop dP is sent to the unit C control and is normalized with respect to the viscosity and the filtration rate and concentrate.
  • the permeate flow rate is standardized according to AST D 4516-00.
  • the method for managing the clogging of the filtration membranes according to the invention is as follows.
  • the biofilm that develops on the probe of the 2nd sensor is a good representation of the biofilm that develops on the membrane elements of the filtration unit F.
  • a maximum permissible setpoint value for the thickness of the biofilm is determined, in particular on the basis of experience.
  • a minimum setpoint value for this biofilm thickness is also determined, the crossing of which, in the direction of the decreasing values, must command the stopping of the rinsing.
  • a maximum setpoint value is determined for the pressure drop dP, the excess of which must trigger a rinsing of the membranes, and a minimum setpoint whose crossing by decreasing values must trigger a rinsing stop.
  • the rinsing is preferably carried out with desalinated water, generally produced by the desalination plant.
  • a bypass line 12 (FIG 1) returns to the inlet of the filtration unit F a controlled flow rate of filtered water taken from the permeate on the pipe 3.
  • a solenoid valve 13 and a recirculation pump 14, installed on line 12, are controlled by unit C when rinsing is necessary.
  • Rinsing is controlled according to the three control parameters constituted respectively by the thickness of the biofilm, the pressure drop and the productivity.
  • Rinsing is triggered: - as soon as the thickness of the biofilm or the pressure drop exceeds its respective maximum setpoint,
  • the flushing is started. It is the same if one of the two other parameters reaches the first its set value: it is this parameter which triggers the rinsing.
  • rinsing is obtained by opening the valve 13 controlled by the unit C.
  • the duration of rinsing is determined by the evolution of the two parameters consisting of: the thickness of the biofilm and the pressure drop at the flow, and this during the rinsing phase.
  • the flushing is stopped. The same applies if the flow loss has reached its minimum set point before the biofilm thickness has reached its minimum setpoint.
  • the method of the invention makes it possible to better manage the washing frequencies in treated water (fresh water) and to reduce the consumption of fresh water while avoiding production stoppages.
  • the method of the invention was implemented on a pilot plant A treating seawater with the objective of producing drinking water.
  • the results obtained with this pilot plant A are given in the diagram of FIG. 5.
  • the time, in weeks, is plotted on the abscissa, the experiment having taken place over a year.
  • On the y-axis on the left are plotted: the temperature of the water in ° C, represented by black diamonds with a vertical diagonal; the number of rinses represented by circles, and the thickness H of the biofilm in micrometers represented by crosses.
  • On the ordinate axis on the right side are the values of the normalized pressure drop dP, expressed in bars and represented by black squares, of the normalized Q rate, or productivity, expressed in m 3 / h and represented by triangles.
  • Parallel to this pilot A were operated during the same time and under the same conditions a pilot B with control of clogging by chemical washes, the results of which are given in FIG.
  • the pressure drop dP corresponds to the pressure difference between the inlet of the membrane element and the outlet of water concentrated at its end, normalized with respect to the viscosity and with respect to the filtration flow rate. concentrate.
  • the standard flow corresponds to the permeate flow rate standardized according to AST D 4516-00;
  • dissolved organic carbon 2.8 to 4.2 mg / L -bacteria (epifluorescence measurement): 4.10 4 to 10 5 / mL
  • the installation includes three pilots, small capacity desalination systems (4 m3 / h unit) fed from the same water.
  • the pretreatment of the desalination units is carried out by ultrafiltration, one of the the most advanced pretreatment processes for pre-treatment of water for desalting. Ultrafiltration makes it possible to eliminate more than 4 log of microorganisms between the raw desalination water and after pretreatment. Despite this pretreatment, it is observed after a few weeks of operation a drift of the operating parameters of the desalination units.
  • Pilot A is equipped with the biofouling control system according to the invention.
  • the desalinated water rinse frequency management parameters are shown below.
  • the other two pilots are managed with the conventional controls of clogging (chemical washing for pilot B and rinsing with salt water for pilot C).
  • the chemical wash is performed when the normalized pressure loss increases by more than 15% or when the standard flow decreases by more than 10%.
  • Rinsing with low-salt water is carried out on a frequency adjusted according to the temperature.
  • the rinsing with desalinated water lasts 10 minutes and consumes 1.5 m 3 or 0.75 m 3 depending on the optimization.
  • the chemical wash lasts 12 hours and consumes 45 m 3 .
  • Figs. 5, 6 and 7 present the results of the monitoring of the operation of pilots A, B, C during a period of one year. At the end of this operating period, a production hydraulic balance is achieved.
  • the production of pilot A managed with the automatic osmotic shock system, reaches a production of 36025 m 3
  • pilot B subject to periodic chemical washes, allows a production of only 32475 m 3
  • the pilot C subject to a rinse with low salt water carried out preventively is 35218 m 3 .

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Abstract

Procédé de gestion du colmatage de modules membranaires et de membranes de filtration, plus spécialement de nanofiltration, ultrafiltration ou d'osmose inverse, pour le dessalement d'eau, selon lequel on effectue des rinçages successifs pour lutter contre le colmatage, en particulier le colmatage biologique : on effectue une évaluation de l'épaisseur du biofilm; on déclenche un rinçage au plus tard lorsque l'épaisseur évaluée du biofilm dépasse une première valeur de consigne prédéterminée pour l'épaisseur du biofilm, et on arrête le rinçage au plus tôt lorsque l'épaisseur du biofilm est devenue inférieure à une deuxième valeur de consigne prédéterminée plus faible que la première, pour l'épaisseur du biofilm.

Description

PROCEDE ET INSTALLATION POUR LA GESTION DU COLMATAGE DE MODULES MEMBRANAIRES ET DE MEMBRANES DE FILTRATION.
Domaine technique
L'invention concerne un procédé de gestion du colmatage de modules membranaires et de membranes de filtration, plus spécialement de nanofiltration, ultrafiltration ou d'osmose inverse, pour le dessalement d'eau.
Les systèmes de dessalement d'eau sont, généralement, du type à modules spiraux comprenant au moins un élément membranaire mettant en œuvre une membrane de dessalement et des espaceurs (voir notamment : Mémento Technique de l'Eau - DEGREMONT, 10èmΘ édition, Tome 2 pages 1042 - 1044).
Les membranes de dessalement sont utilisées pour la séparation de composés dissous d'un solvant. Dans le cas du dessalement d'eau de mer ou d'eaux saumâtres, le solvant est de l'eau, et les composées dissous sont des ions chlorure, sodium, sulfate, calcium, magnésium, et tous autres ions présents dans une eau naturelle ou d'origine industrielle, ainsi que des molécules organiques, matières organiques, micropolluants organiques tels que les pesticides et herbicides, cette liste n'étant pas limitative.
Ces membranes de dessalement sont sensibles au colmatage (ou fouling), et notamment au colmatage biologique (ou biofouling) : les microorganismes colonisent la surface des membranes ainsi que les constituants du module membranaire tels que les espaceurs (grilles en matériaux composites nécessaires au maintien de l'écartement entre deux membranes d'un module spiral et à la bonne hydraulique des éléments membranaires). Le colmatage peut également être provoqué par des composés minéraux, particules d'argile, précipités à base de fer ou de manganèse.
Le colmatage des membranes de dessalement génère plusieurs modifications du fonctionnement du système :
- Le colmatage perturbe l'écoulement le long de la membrane de dessalement, réduit l'effet de l'espaceur et engendre une augmentation de la couche de polarisation à la surface de la membrane. Cette couche de polarisation, zone où les composés retenus par la membrane s'accumulent, engendre une augmentation de la concentration et donc de la pression osmotique à la surface de la membrane et engendre donc une diminution de la pression efficace à la filtration, d'où une baisse de la production. L'augmentation de la couche de polarisation engendre aussi des concentrations en sels plus importantes au voisinage de la membrane de dessalement, et donc une augmentation du risque de précipitation des sels présents en sursaturation. Cela engendre soit une précipitation de sels, donc un colmatage plus rapide des membranes de dessalement, soit une surconsommation de réactifs mis en œuvre pour éviter / retarder cette précipitation. - Le colmatage perturbe l'écoulement le long de la membrane de dessalement, engendre une augmentation de la perte de charge entre l'alimentation et le rejet de concentrât, perte de charge qui entraîne une diminution de la pression disponible pour la filtration, d'où une perte de production à pression constante. Au-delà d'une certaine valeur de perte de charge, la résistance des matériaux constitutifs de l'élément membranaire étant dépassée, il peut y avoir des dommages mécaniques irréversibles de l'élément membranaire.
Technique antérieure a/ Afin de limiter le fouling (colmatage) et le biofouling (biocolmatage) des membranes d'osmose inverse des systèmes de pré-traitement de l'eau alimentant les éléments membranaires sont mis en œuvre. b/ Lorsque les éléments membranaires et les membranes elles- mêmes sont colmatés, il est nécessaire d'éliminer le colmatage pour que le système retrouve ses performances en termes de production et d'énergie consommée. L'élimination du colmatage se fait généralement par lavage chimique : application de solutions acides, basiques, contenant des tensio-actifs et/ou des biocides ou bactériostatiques. c/ Une autre méthode consiste à réaliser un choc osmotique hyper salin en envoyant sur la membrane du côté concentration une saumure de concentration supérieure à la concentration de l'eau à traiter (demande de brevet français n° 08 03591 déposée le 26 juin 2008 au nom de la même société déposante). d/ Une autre méthode consiste à réaliser un choc osmotique par application d'une solution hypo saline. Les bactéries se développent dans l'eau d'alimentation du système de dessalement et du côté concentré de la membrane ont développé un métabolisme résistant à de fortes pressions osmotiques. La mise en contact avec une eau de très faible pression osmotique génère un phénomène d'osmose direct et la lyse, l'éclatement des cellules bactériennes. Inconvénients des méthodes connues
Les différentes méthodes évoquées ci-dessus présentent des inconvénients dont les principaux sont rappelés ci-après pour chaque méthode, dans des paragraphes désignés par les mêmes lettres que pour la méthode concernée.
a/ Ces systèmes, d'une efficacité variable, permettent de limiter le phénomène de colmatage, mais ne l'élimine pas complètement. b/ Le principal inconvénient du lavage chimique est la nécessité d'arrêter la production durant cette phase. Il est aussi nécessaire de disposer de solutions de lavage (réactifs acides, basiques, biocides ou bactériostatiques, réactifs tensio-actifs) sur l'installation. Cette solution génère des rejets qu'il faut évacuer. De plus, le lavage chimique nécessite l'emploi d'une eau de faible dureté (inférieure à 50 mgCaCO3/L de dureté). Il est généralement utilisé du perméat d'osmose inverse (eau dessalée), ce qui diminue la productivité du système de dessalement. Compte tenu de la géométrie des éléments contenant les membranes, qui sont très compacts, le lavage est rarement efficace à 100%, et un colmatage résiduel s'accumule progressivement, jusqu'à ce que le lavage ne permette plus de récupérer la performance nécessaire au fonctionnement du système (pression nécessaire supérieure à la pression disponible dans le système, rupture mécanique des éléments suite au dépassement de la perte de charge limite). De plus, l'application de ces solutions de lavage, si elle permet de dissoudre et de transporter les salissures en dehors de l'élément membranaire, engendre une attaque progressive de la membrane elle-même, et donc une perte de performances de l'action de dessalement (fragilisation du polymère composant la membrane, ouverture des pores, diminution du rejet de sels, compactage, perte de perméabilité et de production). c/ Le principal inconvénient du choc osmotique hyper salé est la nécessité d'arrêter la production durant cette phase. Il est aussi nécessaire de disposer d'une solution hypersaline sur l'installation. Cette solution génère des rejets qu'il faut évacuer. d / Le principal inconvénient du choc osmotique par application d'une eau de très faible salinité pour rincer le côté concentré des membranes est la consommation d'eau dessalée, qui impacte la productivité de l'usine de dessalement. Les chocs osmotiques sont généralement réalisés de façon préventive, très fréquente, pour éviter une dégradation des paramètres hydrauliques, la dégradation des paramètres hydrauliques n'étant que peu affectée par ces chocs osmotiques. Cette fréquence élevée engendre une consommation importante d'eau de faible salinité.
Exposé de l'invention
L'invention a pour but, surtout, de fournir un procédé de gestion du colmatage de modules membranaires et de membranes de filtration, plus spécialement de membranes de nanofiltration, ultrafiltration ou d'osmose inverse, pour le dessalement d'eau, qui permet de pallier aux inconvénients des différentes méthodes de gestion du colmatage exposées précédemment.
L'invention a pour but, notamment, de fournir un procédé de gestion du colmatage de modules membranaires qui permet d'améliorer la productivité en eau filtrée, tout en préservant la durée de vie des membranes et tout en limitant la consommation d'eau de rinçage. Le procédé de gestion du colmatage de modules membranaires et de membranes de filtration, plus spécialement de nanofiltration, ultrafiltration ou d'osmose inverse, pour le dessalement d'eau, selon l'invention, consiste à effectuer des rinçages successifs du module membranaire et de la ou des membrane(s) pour lutter contre le colmatage (fouling), en particulier le colmatage biologique (biofouling), et est caractérisé en ce que :
- on effectue une évaluation de l'épaisseur du biofilm,
- on déclenche un rinçage au plus tard lorsque l'épaisseur évaluée du biofilm dépasse une première valeur de consigne prédéterminée pour l'épaisseur du biofilm, - et on arrête le rinçage au plus tôt lorsque l'épaisseur du biofilm est devenue inférieure à une deuxième valeur de consigne prédéterminée plus faible que la première, pour l'épaisseur du biofilm.
Avantageusement, la perte de charge de l'élément membranaire est mesurée, et - on déclenche un rinçage au plus tard lorsque la perte de charge dépasse une première valeur de consigne prédéterminée pour la perte de charge,
- et on arrête le rinçage au plus tôt lorsque la perte de charge est devenue inférieure à une deuxième valeur de consigne plus faible que la première pour la perte de charge.
Avantageusement, la productivité de l'élément membranaire, qui rend compte de l'état de colmatage de la surface de la membrane, est mesurée, et on déclenche un rinçage au plus tard lorsque la productivité devient inférieure à une valeur de consigne prédéterminée pour la productivité.
De préférence, les rinçages sont effectués avec de l'eau de faible salinité, typiquement d'une salinité inférieure à 1/10e (un dixième) de la salinité de l'eau alimentant le système en phase de production.
Ainsi, dans le cas où les trois paramètres constitués par :
- l'épaisseur du biofilm,
- la perte de charge,
- la productivité de l'élément membranaire, sont pris en compte :
- le rinçage est déclenché dès que la valeur de consigne de l'un de ces trois paramètres est atteinte ;
- le rinçage est arrêté dès que la deuxième valeur de consigne pour l'un des deux paramètres constitués par : - l'épaisseur du biofilm,
- la perte de charge est atteinte.
L'épaisseur du biofilm peut être évaluée en continu, ou périodiquement, par une sonde insérée dans le circuit d'alimentation en eau à filtrer ou dans le circuit concentrât, le biofilm qui se développe sur la sonde étant une bonne représentation du biofilm qui se développe sur les éléments membranaires. L'épaisseur du biofilm peut être évaluée sur la base de la modification de la conductance, électrique ou thermique, de la surface de la sonde. Le matériau de la sonde est sélectionné pour être proche par son état de surface de celui de la membrane de dessalement sur laquelle se développent les micro-organismes.
L'invention fournit ainsi un procédé de lutte contre le fouling et le biofouling qui présente le moins de contraintes, puisque le rinçage est effectué avec de l'eau de faible salinité, tout en limitant à des valeurs juste suffisantes la fréquence et la durée de rinçage en fonction de paramètres spécifiques, ce qui permet de réduire le temps consacré aux rinçages et la consommation d'eau de rinçage, tout en maintenant une bonne productivité.
Les paramètres pris en considération sont de trois types, qui rendent compte de l'état de colmatage du système : - l'épaisseur du biofilm mesurée par un capteur spécifique dédié à cet effet ; le capteur est constitué d'une sonde qui est insérée sur le circuit d'alimentation ou sur le circuit concentrât, et permet de mesurer l'épaisseur du biofilm se développant à la surface de la sonde, et ceci en continu ; - la perte de charge de l'élément membranaire, qui rend compte de l'état de colmatage de la surface de la membrane ; la perte de charge correspond à la différence de pression de part et d'autre de l'élément membranaire, c'est-à-dire différence de pression entre partie concentrât et partie alimentation ; cette perte de charge est normalisée dans des conditions d'hydraulique et de température ;
- la productivité de l'élément membranaire ; la productivité correspond au débit de production d'eau filtrée du système de dessalement ; elle est normalisée en étant ramenée à des conditions standard de salinité et de température (suivant la norme ASTM D4516).
L'invention est également relative à une installation pour la mise en œuvre du procédé défini précédemment, comprenant au moins un module membranaire ou une membrane de filtration, une conduite d'alimentation en eau brute, une sortie pour le concentrât et une sortie pour l'eau traitée ou filtrat, caractérisée en ce qu'elle comporte une sonde insérée dans le circuit d'alimentation en eau à filtrer ou dans le circuit concentrât pour évaluer l'épaisseur du biofilm.
L'épaisseur du biofilm peut être évaluée sur la base de la modification de la conductance, électrique ou thermique, de la surface de la sonde. Le matériau de la sonde est sélectionné pour être proche par son état de surface de celui de la membrane de dessalement sur laquelle se développent les micro-organismes.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif.
Description sommaire des dessins
Sur les dessins : Fig. 1 est un schéma partiel d'une installation de traitement d'eau mettant en œuvre le procédé de l'invention.
Fig. 2 est une coupe schématique, à plus petite échelle, d'une unité de filtration comportant quatre modules spiraux en série.
Fig. 3 est une coupe, à plus grande échelle, suivant la ligne Ill-lll de Fig. 4 d'un module spiral membranaire de l'installation de Fig. 1.
Fig. 4 est une coupe longitudinale, à plus petite échelle, selon la ligne IV-IV de Fig. 3 du module spiral.
Fig. 5 est un diagramme illustrant les résultats obtenus avec une unité de filtration pilote fonctionnant selon le procédé de l'invention, le temps exprimé en semaines étant porté en abscisse et diverses grandeurs étant portées en ordonnées.
Fig. 6 est un diagramme illustrant, de la même manière que Fig. 5, les résultats obtenus avec une unité pilote de filtration dont le procédé de gestion du colmatage des membranes est un procédé conventionnel avec lavage chimique, et
Fig. 7 est un diagramme semblable à celui de Fig. 5 pour une unité pilote de filtration mise en œuvre avec un procédé conventionnel de gestion du colmatage par rinçage à l'eau faiblement salée.
Description détaillée de l'invention
La description est donnée avec référence à des membranes en spirale, mais le procédé de l'invention s'applique à toutes les membranes de filtration, notamment membranes à fibres creuses, ou membranes planes.
En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir une installation de dessalement d'eau, en particulier d'eau de mer, qui comporte une unité F de filtration membranaire. L'alimentation en eau brute est assurée par une pompe 1 dont la sortie est reliée, par une conduite 2, à l'entrée de l'unité de filtration F. L'eau filtrée, également appelée perméat, sort de l'unité F par une conduite 3. Le concentrât, qui correspond à la fraction retenue par l'unité F est évacué par une conduite 4. Sur la conduite d'alimentation 2 sont installés :
- un débitmètre 2d donnant le débit d'eau d'alimentation ; - un capteur de pression 2p donnant la pression de l'eau d'alimentation à l'entrée de l'unité de filtration ;
- un capteur de salinité 2s, donnant la salinité de l'eau d'alimentation. Sur la conduite 3 sont installés :
- un débitmètre 3d donnant le débit de perméat ; - un capteur de pression 3p donnant la pression du perméat ;
- un capteur de salinité 3s donnant la salinité du perméat ;
- et un capteur de température 3t donnant la température du perméat.
Sur la conduite 4 d'évacuation du concentrât sont installés : - un débitmètre 4d, donnant le débit du concentrât ;
- un capteur de pression 4p donnant la pression du concentrât et
- un capteur de salinité 4s donnant la salinité du concentrât. Toutes les informations fournies par ces capteurs sont envoyées à une unité de commande C, par exemple un micro-ordinateur programmé de manière appropriée.
L'unité de filtration F comme illustré sur Fig. 3, est avantageusement composée de plusieurs modules spiraux ML..Mn disposés en série dans une enveloppe cylindrique 5. De tels modules spiraux membranaires sont connus et décrits notamment dans le Mémento Technique de l'Eau DEGREMONT, i oΘmΘ édition Tome 2,, pages 1042-1043. Pour la clarté de l'exposé, la description d'un module spiral M1 est rappelée ci-après. Les autres modules branchés en série sont similaires. Le nombre n de modules d'une unité F est généralement compris entre 4 et 8, bornes incluses.
Le module M1 est représenté schématiquement à plus grande échelle sur Fig. 3 et 4.
Ce module comprend au moins un élément membranaire 6 enroulé en spirale. L'élément membranaire 6 est formé par un sandwich constitué de deux membranes de filtration 6a, 6b planes, à contours rectangulaires. Une feuille poreuse souple 7, également appelée collecteur, est placée entre les deux membranes planes 6a, 6b. Le sandwich ainsi réalisé est scellé sur trois des bords des membranes planes rectangulaires 6a, 6b. Le bord 8 du sandwich qui reste ouvert est soudé sur un tube cylindrique collecteur 9 de part et d'autre d'une génératrice percée de trous 10.
Plusieurs sandwiches peuvent ainsi être réalisés, fixés au tube 9 suivant une génératrice propre au sandwich considéré. L'ensemble est enroulé en spirale autour du tube 9, les sandwiches étant séparés les uns des autres par un espaceur 1 1 , notamment formé par une grille en matière plastique souple. Pour simplifier le dessin, un seul élément membranaire 6 est représenté sur les Fig. 3 et 4, enroulé en spirale, avec l'espaceur 1 1 entre les différents tours de la spirale. L'eau brute à traiter circule dans l'espaceur 1 1 parallèlement au tube collecteur 9. Le perméat traverse sensiblement radialement les membranes 6a, 6b. La feuille poreuse 7 du sandwich assure le drainage du perméat jusqu'au bord ouvert 8 du sandwich pour évacuation par le tube collecteur axial 9.
Le phénomène de colmatage, notamment de biocolmatage, peut ainsi affecter non seulement les membranes 6a, 6b mais aussi l'espaceur 1 1.
Selon l'invention, l'épaisseur du biofilm qui se forme sur les membranes 6a, 6b ainsi que sur l'espaceur 11 est mesurée en continu par un capteur 2e constitué par une sonde installée in situ en contact avec l'eau brute en étant montée sur la conduite 2, comme illustré sur Fig. 1 , et/ou une autre sonde (non représentée) en contact avec le concentrât en étant montée sur la conduite 4. La mesure est basée sur la modification de la conductance de la surface de la sonde. Les grandeurs mesurées peuvent être une conductance électrique ou thermique, notamment en utilisant un micro-capteur conductimétrique à multiélectrodes de la société Neosens (brevet français n° 2 911 186).
Le matériau de la sonde est choisi pour présenter un état de surface le plus proche de celui des membranes de dessalement 6a, 6b sur lesquelles se développent les micro-organismes. Le signal est mesuré en continu, ou périodiquement à intervalles variables, en fonction de la sensibilité du milieu à favoriser la croissance du biofilm, notamment en prenant en compte la température lorsqu'elle est élevée, et la présence de nutriments.
Un capteur 2dp est installé entre l'entrée de l'unité de filtration F, sur la conduite 2, et la sortie du concentrât sur la conduite 4 pour fournir la perte de charge dP correspondant à la différence de pression entre l'entrée de l'unité de filtration et la sortie du concentrât. Cette perte de charge dP correspond à celle créée par l'espaceur 11 lors de l'écoulement de l'eau brute qui se concentre en polluant jusqu'à la sortie 4. La valeur de cette perte de charge dP est envoyée à l'unité de commande C et est normalisée par rapport à la viscosité et par rapport au débit de filtration et de concentrât. Le débit de perméat est normalisé suivant la norme AST D 4516-00.
Le procédé de gestion du colmatage des membranes de filtration selon l'invention est le suivant.
Le biofilm qui se développe sur la sonde du capteur 2e est une bonne représentation du biofilm qui se développe sur les éléments membranaires de l'unité de filtration F.
On détermine, notamment en fonction de l'expérience, une valeur de consigne maximale admissible pour l'épaisseur du biofilm dont le dépassement doit déclencher un rinçage des membranes. On détermine également une valeur de consigne minimale pour cette épaisseur de biofilm dont le franchissement, dans le sens des valeurs décroissantes, doit commander l'arrêt du rinçage.
De la même manière on détermine une valeur de consigne maximale pour la perte de charge dP dont le dépassement doit déclencher un rinçage des membranes, et une valeur de consigne minimale dont le franchissement par valeurs décroissantes, doit déclencher un arrêt du rinçage.
Enfin, on détermine pour la productivité de l'unité de filtration, correspondant au débit de perméat mesuré par le débitmètre 3d, une valeur de consigne minimale pour laquelle le rinçage des membranes doit être déclenché lors du franchissement de cette consigne par valeur décroissante.
Ces différentes valeurs de consigne sont mises en mémoire dans l'unité de commande C qui peut comparer les informations provenant des différents capteurs avec ces valeurs de consigne. Le rinçage est de préférence réalisé avec de l'eau dessalée, généralement produite par l'installation de dessalement. Par exemple, une conduite de dérivation 12 (Fig. 1 ) ramène à l'entrée de l'unité de filtration F un débit contrôlé d'eau filtrée prélevée du perméat sur la conduite 3. Une électrovanne 13 et une pompe de recirculation 14, installées sur la conduite 12, sont commandées par l'unité C lorsqu'un rinçage est nécessaire.
Le rinçage est commandé en fonction des trois paramètres de pilotage constitués respectivement par l'épaisseur du biofilm, la perte de charge et la productivité.
Le rinçage est déclenché : - dès que l'épaisseur du biofilm ou la perte de charge dépasse sa valeur de consigne maximale respective,
- ou dès que la productivité devient inférieure à sa valeur de consigne minimale.
Ainsi, si l'épaisseur du biofilm atteint la valeur de consigne maximale avant même que la perte de charge dP n'ait atteint sa valeur maximale, le rinçage est déclenché. Il en est de même si l'un des deux autres paramètres atteint le premier sa valeur de consigne : c'est ce paramètre qui déclenche le rinçage.
Dans l'exemple illustré sur Fig. 1 , le rinçage est obtenu par ouverture de la vanne 13 commandée par l'unité C.
La durée de rinçage est déterminée par l'évolution des deux paramètres constitués par : l'épaisseur du biofilm et la perte de charge à l'écoulement, et ceci durant la phase de rinçage.
Si l'épaisseur du biofilm a suffisamment diminué pour franchir la valeur minimale de consigne, avant même que la perte de charge n'ait atteint sa valeur minimale, le rinçage est arrêté. Il en est de même si la perte de charge à l'écoulement a atteint sa valeur minimale de consigne avant que l'épaisseur du biofilm n'ait atteint sa valeur de consigne minimale.
Le procédé de l'invention permet de gérer au mieux les fréquences de lavage en eau traitée (eau douce) et de diminuer la consommation d'eau douce tout en évitant des arrêts de production.
Bien que le rinçage à eau douce soit préféré, le procédé de l'invention peut s'appliquer également à des rinçages avec une eau hypersalée. Résultats expérimentaux
Le procédé de l'invention a été mis en œuvre sur une installation pilote A traitant de l'eau de mer avec pour objectif la production d'eau potable. Les résultats obtenus avec cette installation pilote A sont donnés sur le diagramme de Fig. 5.
Le temps, en semaines, est porté en abscisse, l'expérimentation s'étant déroulé sur une année. Sur l'axe des ordonnées situé à gauche sont portés : la température de l'eau en °C, représentée par des losanges noirs avec une diagonale verticale ; le nombre de rinçages représenté par des cercles, et l'épaisseur H du biofilm en micromètres représentée par des croix. Sur l'axe des ordonnées situé à droite sont portées les valeurs de la perte de charge normalisée dP exprimée en bars et représentée par des carrés noirs, du débit Q normalisé, ou productivité, exprimé en m3/h et représenté par des triangles. Parallèlement à ce pilote A ont été mis en fonctionnement pendant le même temps et dans les mêmes conditions un pilote B avec contrôle du colmatage par lavages chimiques, dont les résultats sont donnés sur Fig. 6, avec les mêmes paramètres en abscisse et en ordonnée, à l'exception de l'épaisseur du biofilm qui n'est pas mesurée selon ce procédé. Un autre pilote C avec contrôle du colmatage par rinçage à l'eau faiblement salée a été exploité dans les mêmes conditions et les résultats sont donnés sur Fig. 7.
La perte de charge dP (Fig.2) correspond à la différence de pression entre l'entrée de l'élément membranaire et la sortie d'eau concentrée à son extrémité, normalisée par rapport à la viscosité et par rapport au débit de filtration et de concentrât.
Le débit normalisé correspond au débit de perméat normalisé suivant la norme AST D 4516-00 ;
L'eau de mer traitée est caractérisée par les paramètres suivants durant la période des essais :
-salinité totale : 38,2 à 38,9 g/L
-température : 15 à 26 °C
-pH : 8,1 à 8,2
-carbone organique dissous : 2,8 à 4,2 mg/L -bactéries (mesure par épifluorescence) : 4.104 à .105 / mL
L'installation comprend trois pilotes, systèmes de dessalement de petite capacité (4 m3/h unitaire) alimentés à partir de la même eau. Le prétraitement des unités de dessalement est réalisé par une ultrafiltration, un des procédés de prétraitement les plus avancés en matière de prétraitement d'eau en vu de la dessaler. L'ultrafiltration permet en effet d'éliminer plus de 4 Log de micro-organismes entre l'eau à dessaler brute et après prétraitement. Malgré ce prétraitement, il est observé après quelques semaines de fonctionnement une dérive des paramètres de fonctionnement des unités de dessalement.
Le pilote A est équipé du système de contrôle du biofouling selon l'invention. Les paramètres de gestion des fréquences de rinçage à l'eau dessalée sont indiqués ci-dessous.
-perte de charge normalisée maximale : 0.75 bar -débit normalisé minimum : 4.02 m3/h
-épaisseur maximale de biofilm : 50 μm
Les deux autres pilotes sont gérés avec les précédés conventionnels de contrôle du colmatage (lavage chimique pour le pilote B et rinçage à l'eau faiblement salée pour le pilote C). Le lavage chimique est réalisé lorsque la perte de charge normalisée augmente de plus de 15% ou lorsque le débit normalisé baisse de plus de 10%. Le rinçage à l'eau faiblement salée est réalisée sur une fréquence ajustée en fonction de la température.
Le rinçage à l'eau dessalée dure 10 min et consomme 1.5 m3 ou 0,75 m3 suivant l'optimisation. Le lavage chimique dure 12 h et consomme 45 m3.
Les Fig. 5, 6 et 7 présentent les résultats du suivi du fonctionnement des pilotes A, B, C durant une période de un an. Au bout de cette période de fonctionnement, un bilan hydraulique de production est réalisé. La production du pilote A, géré avec le système automatique de choc osmotique, atteint une production de 36025 m3, alors que le pilote B, sujet à des lavages chimiques périodiques, ne permet une production que de 32475 m3, et que le pilote C, sujet à un rinçage à l'eau faiblement salée réalisé de façon préventive est de 35218 m3.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de gestion du colmatage de modules membranaires et de membranes de filtration, plus spécialement de nanofiltration, ultrafiltration ou d'osmose inverse, pour le dessalement d'eau, selon lequel on effectue des rinçages successifs pour lutter contre le colmatage, en particulier le colmatage biologique, caractérisé en ce que :
- l'épaisseur du biofilm est évaluée par une sonde (2e) insérée dans le circuit d'alimentation (2) en eau à filtrer ou dans le circuit concentrât (4), le biofilm qui se développe sur la sonde (2e) étant une bonne représentation du biofilm qui se développe sur les éléments membranaires,
- on déclenche un rinçage au plus tard lorsque l'épaisseur évaluée du biofilm dépasse une première valeur de consigne prédéterminée pour l'épaisseur du biofilm, - et on arrête le rinçage au plus tôt lorsque l'épaisseur du biofilm est devenue inférieure à une deuxième valeur de consigne prédéterminée plus faible que la première, pour l'épaisseur du biofilm.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau de la sonde (2e) est sélectionné pour être proche par son état de surface de celui de la membrane de dessalement (6) sur laquelle se développent les microorganismes.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur du biofilm est évaluée en continu.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur du biofilm est évaluée périodiquement.
5. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la perte de charge de l'élément membranaire est mesurée, et
- on déclenche un rinçage au plus tard lorsque la perte de charge dépasse une première valeur de consigne prédéterminée pour la perte de charge,
- et on arrête le rinçage au plus tôt lorsque la perte de charge est devenue inférieure à une deuxième valeur de consigne plus faible que la première pour la perte de charge.
6. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la productivité de l'élément me m bran aire, qui rend compte de l'état de colmatage de la surface de la membrane, est mesurée,
- et on déclenche un rinçage au plus tard lorsque la productivité devient inférieure à une valeur de consigne prédéterminée pour la productivité.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les rinçages sont effectués avec de l'eau de faible salinité, typiquement d'une salinité inférieure à 1/10e (un dixième) de la salinité de l'eau alimentant le système en phase de production.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur du biofilm est évaluée sur la base de la modification de la conductance, électrique ou thermique, de la surface de la sonde (2e).
9. Installation pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un module membranaire ou une membrane de filtration, une conduite d'alimentation en eau brute, une sortie pour le concentrât et une sortie pour l'eau traitée ou filtrat, caractérisée en ce qu'elle comporte une sonde (2e) insérée dans le circuit d'alimentation (2) en eau à filtrer ou dans le circuit concentrât (4) pour évaluer l'épaisseur du biofilm., le biofilm qui se développe sur la sonde (2e) étant une bonne représentation du biofilm qui se développe sur les éléments membranaires,
10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'épaisseur du biofilm est évaluée sur la base de la modification de la conductance, électrique ou thermique, de la surface de la sonde (2e).
1 1. Installation selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que le matériau de la sonde (2e) est sélectionné pour être proche par son état de surface de celui de la membrane de dessalement (6) sur laquelle se développent les micro-organismes.
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