Pourquoi l'eau de pâte de savon (soapstock) est un cas particulier pour la conception MBR
Le soapstock est le sous-produit aqueux du raffinage caustique des huiles végétales, et l'acidulation convertit les acides gras saponifiés en une couche d'huile acide séparée ainsi qu'en un effluent chaud, acide et émulsifié, qui constitue le flux huileux le plus difficile que la plupart des MBR de raffinerie auront à traiter. L'enveloppe de conception type se situe entre 5 000 et 20 000 mg/L de DCO, 2 500 et 10 000 mg/L de DBO, 2 000 à 8 000 mg/L d'huiles et graisses (H&G), 1 000 à 5 000 mg/L de sulfates, avec un pH de 1 à 3 après acidulation (ou de 9 à 12 après séparation caustique) et une température de 50 à 80 °C. La revue MDPI de 2022 sur le traitement par MBR des eaux usées industrielles huileuses (S2) classe l'huile présente dans les eaux usées en trois catégories : libre, dispersée et émulsifiée ; le soapstock est dominé par une huile émulsifiée et finement dispersée qui ne se sépare pas par gravité, ce qui explique précisément pourquoi les recommandations génériques de dimensionnement des MBR pour effluents huileux échouent. Conséquence pratique : le soapstock ne peut pas être envoyé directement vers un MBR immergé, et la chaîne de prétraitement décrite dans le guide de prétraitement de l'eau de soapstock avant MBR — dégrillage, DAF, homogénéisation-refroidissement, correction du pH — n'est pas optionnelle. Sauter une seule étape ramène la membrane vers une trajectoire d'encrassement se mesurant en jours plutôt qu'en mois.
Étape 1 — Établir le bilan massique de charge journalière
Chaque bassin, pompe et membrane en aval est dimensionné à partir d'un seul document de référence : un bilan massique journalier en kg/jour. Relevez le débit de conception Q (m³/jour) ainsi que les concentrations de DCO, DBO, H&G, MES, sulfates, pH et température à partir de l'échantillonneur composite de la raffinerie, puis calculez les charges par Q × C × 1 000 / 1 000 000 pour chaque paramètre. Répartissez le débit entre le rejet continu de la raffinerie (stable, généralement 60 à 70 % du volume total, 40 à 60 °C) et les flux d'acidulation par lots (à-coups, 30 à 40 % du volume, 60 à 80 °C, pH 1 à 3, H&G souvent > 5 000 mg/L). Le volume d'homogénéisation est déterminé par l'à-coup, et non par la moyenne, car une décharge d'acidulation de 4 heures arrivant à 70 °C fixera la température d'alimentation du MBR si le bassin n'est dimensionné que sur la moyenne journalière.
Exemple pratique : supposons Q = 500 m³/jour à 12 000 mg/L de DCO, 4 000 mg/L d'H&G, pH 2,0, 70 °C, plus 1 500 mg/L de MES.
| Paramètre | Concentration | Charge journalière (kg/jour) |
|---|---|---|
| DCO | 12 000 mg/L | 6 000 |
| DBO | 6 000 mg/L | 3 000 |
| Graisses et huiles (G&H) | 4 000 mg/L | 2 000 |
| MES | 1 500 mg/L | 750 |
| Sulfate | 3 000 mg/L | 1 500 |
| Température (pic) | 70 °C | — charge de refroidissement ≈ 11 000 kWh/jour jusqu'à 38 °C |
Les 6 000 kg DCO/jour et 2 000 kg G&H/jour sont les valeurs sur lesquelles le prétraitement et les bassins d'aération sont dimensionnés. La cible de conception à l'entrée du MBR est ≤ 38 °C, car les membranes PVDF standard tolèrent jusqu'à 40 °C en continu et 45 °C sur de courtes périodes ; la charge de refroidissement découle directement du bilan matière, ce n'est pas une estimation approximative.
Étape 2 — Chaîne de prétraitement : dégrillage, DAF, refroidissement, correction du pH
Chaque unité de prétraitement justifie sa place en supprimant un risque spécifique d'encrassement de la membrane. Un dégrilleur mécanique rotatif série GX à ouverture de 2 à 3 mm capture la pulpe, les fragments de graines et les flottants qui, sinon, colmateraient le DAF et s'accrocheraient aux aérateurs à membrane. Un système de flottation à air dissous ZSQ est le pilier de l'élimination des graisses et huiles : dimensionnez-le à 15–25 m³/h par m² de charge surfacique, dosez du polymère si le test au jar-test confirme une émulsion à HLB décalé, et visez un taux d'élimination des G&H > 80 % afin que l'effluent du DAF n'apporte que < 100 mg/L de G&H au bioréacteur. La régulation suit avec 12 à 24 h de débit moyen (à étendre à 24–36 h si les lots d'acidification dominent), mélangée mécaniquement et légèrement aérée pour amortir simultanément les à-coups hydrauliques et thermiques. La correction du pH à 6,5–8,0 avec un système de dosage chimique automatique pour la correction du pH est obligatoire avant le MBR ; des pâtes de neutralisation acidifiées à pH 2 tueront la biomasse en quelques heures, et la chaux est préférée à la soude (NaOH) pour les flux à haute teneur en sulfate, car elle co-précipite le gypse et réduit la charge en sulfate sur la biologie.
| Unité | Paramètre de conception | Cible | Justification |
|---|---|---|---|
| Dégrilleur rotatif | Ouverture 2–3 mm | Réduction des MES < 50 mg/L | Protège le DAF et les aérateurs à membrane |
| DAF | 15–25 m³/m²·h | Huiles et graisses <100 mg/L, >80 % d'élimination | Empêche le colmatage de la surface membranaire par les huiles |
| Égalisation/refroidissement | 12–24 h de temps de séjour | T ≤38 °C, pH 6,5–8,0 | Atténue les pics thermiques et les charges soudaines de graisses |
| Correction du pH | Dosage de NaOH ou de chaux | Sortie 6,5–8,0 | Protège la biomasse des chocs acides |
L'étude de 2023 sur la technologie MBR (S4) note que les configurations immergées tolèrent un flux plus faible mais offrent une perméabilité supérieure à celle des configurations en boucle externe — c'est précisément la raison pour laquelle la qualité du prétraitement n'est pas négociable dans une conception immergée. Chaque kilogramme d'huiles et de graisses qui échappe au DAF se dépose sur la membrane.
Étape 3 — Dimensionnement du bioréacteur : MES, âge des boues, temps de séjour hydraulique
Le compartiment à boues activées du bassin MBR est dimensionné pour maintenir la dominance des espèces dégradant les huiles à croissance lente et pour supprimer le foisonnement filamenteux sous forte charge en graisses. Maintenir la concentration en MES entre 8 000 et 12 000 mg/L : utiliser la limite basse (8 000–9 000) lorsque l'effluent du DAF contient encore >200 mg/L d'huiles et de graisses, et la limite haute (10 000–12 000) lorsque l'effluent du DAF est <100 mg/L. Un âge des boues de 25 à 40 jours est le levier opérationnel qui défavorise les filaments et laisse le temps aux populations dégradant les huiles de s'établir. Un temps de séjour hydraulique de 6 à 10 h transpose l'exemple de 500 m³/jour en un volume d'aération de 125 à 210 m³ ; vérifier le rapport F/M par rapport à 0,05–0,15 kg DCO/kg MES·j, qui est la bonne fourchette pour un MBR de raffinerie fortement chargé. Le dimensionnement de l'aération doit atteindre 1,5 à 2,0 fois la demande en oxygène standard calculée, car la DCO est élevée et la zone membranaire nécessite un OD soutenu de 1,5 à 2,5 mg/L pour décolmater la surface sans déloger le gâteau.
| Paramètre | Plage de conception | Résultat pour 500 m³/jour |
|---|---|---|
| MES | 8 000–12 000 mg/L | 10 000 mg/L |
| Âge des boues | 25–40 jours | 30 jours |
| Temps de séjour hydraulique | 6–10 h | 8 h → volume d'aération de 167 m³ |
| F/M | 0,05–0,15 kg DCO/kg MES·j | 0,12 (6 000 / (10 × 167 × 10)) |
| OD dans la zone membranaire | 1,5–2,5 mg/L | 2,0 mg/L |
Étape 4 — Surface membranaire : flux, facteur de dérating et nombre de modules
Le flux net pour une PVDF immergée sur un effluent de pâtes de neutralisation est de 12 à 18 LMH ; ne jamais concevoir au-delà de 20 LMH car les huiles émulsionnées provoquent un colmatage irréversible rapide, et la discussion de l'étude S2 sur les formes d'huiles dispersées et émulsionnées corrobore ce plafond prudent. Convertir le flux net en flux brut installé à l'aide d'un facteur de dérating de conception de 0,6 à 0,75 qui tient compte de la relaxation, des temps d'arrêt pour rétrolavage et du colmatage progressif entre les nettoyages chimiques. La formule de la surface membranaire est A = Q / (J_net × dérating).
Exemple chiffré : 500 m³/jour = 20 833 L/h. À 15 LMH nets et un facteur de dérating de 0,7, J_brut = 10,5 L/m²·h, donc A = 20 833 / 10,5 ≈ 1 985 m². Arrondir à 2 000–2 400 m² après avoir ajouté une marge de 20 % pour charge future, car les raffineries de pâtes de neutralisation débottellent la capacité de raffinage et le MBR tend à être le système qui est modernisé en dernier et payé en premier. Convertissez la surface en modules à membranes planes PVDF série DF à 150 m² par cassette : 2 000 m² ≈ 13–14 cassettes plus une de secours pour la rotation d'entretien. Le système MBR intégré de traitement des eaux usées complet relie le nombre de cassettes, la puissance des soufflantes et le dimensionnement de la pompe de perméat en un seul livrable P&ID.
| Étape | Valeur |
|---|---|
| Débit de conception | 500 m³/jour = 20 833 L/h |
| Flux net (J_net) | 15 LMH |
| Facteur de dérating | 0,7 |
| Flux brut (J_brut) | 10,5 L/m²·h |
| Surface membranaire requise | ≈ 1 985 m² |
| Avec marge de 20 % | ≈ 2 400 m² |
| Cassettes (150 m² chacune) | 13–14 + 1 en réserve |
Étape 5 — Sélection du module : plaques planes ou fibres creuses pour un effluent huileux
Les membranes PVDF à plaques planes (série DF, taille de pore nominale de 0,1 μm, boîtier d'aération intégré) offrent la meilleure géométrie pour les pâtes de neutralisation : elles tolèrent l'encrassement par cheveux et fibres qui bloquerait un faisceau de fibres creuses, chaque cassette est remplaçable sans vidanger le bassin, et le boîtier d'aération intégré signifie que la soufflante de décolmatage des membranes est dimensionnée par cassette — et non par station — ce qui garde la conception honnête lorsque l'effluent varie. Les fibres creuses offrent une densité de garnissage plus élevée et un capex plus faible sur un effluent municipal de force constante, mais sur un flux de pâtes de neutralisation avec variabilité des tensioactifs et pics de FOG, une seule journée de DAF sous-performante peut colmater irréversiblement le faisceau. Le facteur déterminant est la variabilité de l'effluent, pas l'encombrement. Utilisez le guide de sélection des modules de Zhongsheng pour dimensionner ensemble le nombre de cassettes et la puissance des soufflantes plutôt que de les traiter comme des lignes d'achat distinctes.
| Critère | Plaques planes (série DF) | Fibres creuses |
|---|---|---|
| Tolérance aux graisses (FOG) | Élevée | Modérée |
| Tolérance aux tensioactifs/émulsions | Élevée | Faible à modérée |
| Remplaçable en service | Par cassette | Par module |
| Énergie (vs cross-flow sidestream) | 10 à 20 fois moins | 10 à 20 fois moins |
| Adapté aux eaux de savonnage (soapstock) | Oui | Uniquement avec un DAF très stable |
Étape 6 — Exploitabilité, nettoyage et marges de conception
Le système doit survivre à la deuxième campagne huilière, pas seulement au rapport de mise en service. Spécifiez un cycle de relaxation de 5 min en marche / 1 min à l'arrêt et un CIP (nettoyage en place) 1 fois tous les 30 à 60 jours avec du NaOCl (1 000 à 2 000 mg/L de chlore libre, trempage de 2 h) suivi d'acide citrique (1 000 mg/L, pH 2,5, 1 h) ; attendez-vous à une récupération de flux de 30 à 50 % par nettoyage. Maintenez la marge de charge future de 20 % sur la surface membranaire comme un poste non négociable — les usines traitant des eaux de savonnage désengorgent la raffinerie avant de désengorger la station d'épuration. Prévoyez une cassette de secours en ligne, des soufflantes d'aération doubles et un bassin tampon à boues afin que le rejet des déchets ne coïncide pas avec le pic de charge huileuse. Réglez une alarme d'arrêt TMP à 30 kPa et un déclencheur de nettoyage chimique à 20 kPa soutenus, et suivez les données afin de pouvoir prévoir la durée de vie de la membrane à partir de l'historique réel d'exploitation plutôt que de la courbe du fabricant. Les boues activées en excès en aval sont déshydratées sur un filtre-presse à plateaux pour boues activées en excès dimensionné à 15–20 kg MS/m²·h pour l'âge des boues du MBR utilisé ici.
Questions fréquemment posées
Quel flux net dois-je utiliser pour un MBR immergé sur des eaux de savonnage ?
Concevez à 12–18 LMH de flux net pour du PVDF immergé sur une alimentation en eaux de savonnage acidulées, avec 15 LMH comme point médian défendable. Appliquez un facteur de déclassement de 0,6–0,75 pour convertir le flux net en flux brut installé ; ne spécifiez jamais au-delà de 20 LMH, car l'huile émulsionnée provoque un encrassement irréversible bien avant ce plafond.
Le DAF est-il vraiment nécessaire avant le MBR sur un flux d'eaux de savonnage ?
Oui. Sauter le DAF sur une alimentation de 2 000–8 000 mg/L d'huiles et graisses (H&G) envoie l'huile émulsionnée directement sur la membrane, et la fréquence de CIP passe d'une fois tous les 30–60 jours à une fois tous les 3–7 jours. Dimensionnez le DAF à 15–25 m³/m²·h et visez moins de 100 mg/L d'H&G dans l'effluent du DAF avant le bioréacteur.
Quels MLSS et SRT dois-je appliquer pour un MBR d'huiles de raffinerie soapstock ?
Faites fonctionner le MLSS entre 8 000 et 12 000 mg/L et le SRT entre 25 et 40 jours, avec la fourchette basse de MLSS lorsque les huiles et graisses (O&G) de l'effluent DAF sont encore >200 mg/L, et la fourchette haute lorsque l'effluent DAF est <100 mg/L. Le SRT de 25 à 40 jours permet de maintenir la dominance des espèces dégradant les huiles, à croissance lente, et d'éviter le foisonnement filamenteux sous forte charge en FOG.
À quel pH et quelle température l'alimentation du MBR doit-elle être maintenue ?
Maintenez le pH entre 6,5 et 8,0 et la température à ≤38 °C à l'entrée du bassin MBR. Les membranes planes standard en PVDF tolèrent jusqu'à 40 °C en continu et 45 °C à court terme ; en dessous de pH 6,0, l'activité de la biomasse s'effondre en quelques heures, et au-delà de 40 °C, la durée de vie de la membrane diminue de façon mesurable.
Plaques planes ou fibres creuses pour un MBR de soapstock ?
Les membranes planes en PVDF constituent le choix par défaut le plus sûr pour le soapstock, car elles tolèrent l'encrassement par les fibres, permettent un remplacement par cassette et s'associent à un caisson d'aération intégré pour le décolmatage de la membrane. Les fibres creuses ne sont acceptables que lorsque la performance du DAF est vérifiée stable et que la variabilité des FOG en entrée est faible — conditions rares dans les usines d'acidulation à fonctionnement discontinu.
