Pourquoi les eaux de fond de bac déjouent le dimensionnement générique des MBR
Les eaux de fond de bac — la phase aqueuse séparée drainée des bacs de stockage de brut et de produits, l'effluent de dessaleur et les émulsions de boues huileuses — présentent 3 000-15 000 mg/L de DCO, 500-5 000 mg/L de MES, 200-2 000 mg/L d'huiles et graisses, et 5 000-80 000 mg/L de TDS lorsque de l'eau de production y est mêlée. Le dimensionnement générique des MBR repris des manuels municipaux échoue sur ce flux, car l'huile libre recouvre la surface de la membrane et colmate définitivement les pores de 0,1 µm, tandis que les hydrocarbures émulsionnés augmentent la viscosité de la liqueur mixte et compriment le transfert d'oxygène dans la zone de récurage. Selon la littérature académique, un MBR est « un système de traitement intégré associant des membranes de microfiltration (MF) ou d'ultrafiltration (UF) à un réacteur biologique » (Membranes, 2020-02), et c'est la composante membranaire qui fait du contrôle de l'encrassement — et non de la biologie — le facteur déterminant de conception sur des effluents huileux. La règle empirique défendable : les eaux de fond de bac doivent être prétraitées à <50 mg/L d'huiles et graisses (de préférence <20 mg/L) avant d'entrer dans le bassin MBR, un chiffre ancré dans la pratique standard de prétraitement en raffinerie et dans les recommandations d'intégration des membranes UF (API 421 / pratique MF-UF pour eaux huileuses). Les flux municipaux de MBR de 20-25 LMH sont physiquement impossibles à maintenir sur une alimentation brute en eaux de fond de bac — le flux doit être déclassé à 10-15 LMH dès que de l'huile émulsionnée pénètre dans la liqueur mixte, quelle que soit la propreté apparente du séparateur amont sur un échantillon ponctuel.
Étape 1 — Caractériser l'effluent d'eaux de fond de bac
Neuf paramètres doivent être caractérisés avant qu'un seul chiffre de dimensionnement ne soit consigné sur la fiche technique : débit (m³/jour), facteur de pointe, DCO totale et soluble, DBO₅, MES, huiles et graisses (libres vs émulsionnées), TDS/salinité, température et pH. Les plages réalistes pour les eaux de fond de bac sont : DCO 3 000-15 000 mg/L, rapport DBO₅/DCO 0,3-0,6 (souvent 0,25-0,40 pour le stockage de brut où les hydrocarbures résistent à la biodégradation), MES 500-5 000 mg/L, huiles et graisses 200-2 000 mg/L, TDS 5 000-80 000 mg/L, et température 25-55 °C selon que la source est un dessaleur chauffé ou une purge de bac à température ambiante. Le choix du facteur de pointe n'est pas une estimation approximative : appliquez 1,5-2,0× pour la vidange de routine par lots, et 2,5-3,0× pour les événements de forte pluie sur bac ou les campagnes de pompage lorsqu'un talon de bac entier est déversé à l'égout en quelques heures. L'échantillonnage composite doit s'étendre sur au moins 7-14 jours avec des prélèvements diurnes, car la composition varie selon les infiltrations pluviales, les changements de produit et les vidanges de talon d'eau — un seul composite de 24 heures sous-estimera le pic d'huiles et graisses qui détruit une cassette membranaire.
| Paramètre | Plage typique | Valeur de conception (base) | Remarques |
|---|---|---|---|
| Débit, moyen | 50-500 m³/jour | Spécifique au site | Selon audit du parc de réservoirs |
| Facteur de pointe | 1,5-3,0× | 1,75× routine, 2,5× orage | Profil de drainage / vidange par pompage |
| DCO (totale) | 3 000-15 000 mg/L | 5 000-8 000 mg/L | Fraction soluble 40-70 % |
| DBO₅/DCO | 0,25-0,60 | 0,40 | Plus faible pour le stockage de brut |
| MES | 500-5 000 mg/L | 1 500 mg/L | Inclut le sulfure de fer provenant des dessaleurs |
| Huiles & graisses | 200-2 000 mg/L | 800 mg/L | La répartition libre vs. émulsionnée est déterminante |
| TDS / salinité | 5 000-80 000 mg/L | Spécifique au site | Détermine le TRS et le chlorure sur les MES |
| Température | 25-55 °C | 35 °C | Une température plus élevée réduit la solubilité de l'O₂ |
| pH | 5,5-9,0 | 7,0-7,5 | Ajuster en amont du MBR |
Étape 2 — Sélectionner la filière de prétraitement (DAF + égalisation)
La filière amont minimale pour protéger un MBR sur les eaux de fond de bac est la suivante : dégrillage grossier → séparateur d'huile et d'eau API ou à plaques ondulées → bassin d'égalisation avec mélange à faible cisaillement → flottation à air dissous (DAF) → ajustement du pH et de la température. Le DAF n'est pas négociable — c'est l'opération unitaire qui fait passer les huiles et graisses totales de 200-2 000 mg/L à <50 mg/L et les MES à <150 mg/L, en éliminant l'essentiel de l'huile libre et émulsionnée avant que la liqueur mixte ne voie une membrane. Un système de flottation à air dissous de la série ZSQ, d'une capacité de 4 à 300 m³/h, couvre la plage de débit typique des eaux de fond de bac ségréguées d'un seul parc de réservoirs. L'égalisation doit fonctionner avec un TRH de 24 à 48 heures pour atténuer le facteur de pointe de 1,75-2,5× jusqu'à une charge hydraulique gérable sur les membranes ; les mélangeurs submersibles du bassin d'égalisation doivent être à faible cisaillement (vitesse en bout de pale <3 m/s) pour éviter de ré-émulsionner l'huile déjà coalescée par le séparateur API. Négliger l'égalisation est la raison la plus courante pour laquelle un MBR par ailleurs correctement dimensionné épuise sa surface membranaire dès le premier mois de mise en service.
Étape 3 — Définir les paramètres de conception biologique (MES, F/M, TRH, TRB)
Dimensionnez le bassin d'aération avant de toucher au bassin membranaire — dimensionner d'abord la cassette puis recalculer la biologie est la façon la plus sûre de causer un colmatage chronique des membranes. La MES cible se situe entre 8 000 et 10 000 mg/L pour les eaux de fond de bac huileuses, délibérément en dessous des 10 000-12 000 mg/L habituels d'un MBR municipal, car les hydrocarbures émulsionnés augmentent la viscosité de la liqueur mixte et au-delà de 12 000 mg/L le bassin d'aération mousse et le transfert d'oxygène (facteur α) s'effondre. Le ratio F/M se situe entre 0,05 et 0,15 kg DCO/kg MES·jour ; privilégiez 0,08-0,10 pour les hydrocarbures pétroliers réfractaires. Le TRH est de 18 à 36 heures dans le bassin d'aération et de 1 à 2 heures dans la chambre membranaire. Le TRB doit être de 30 à 60 jours — suffisamment long pour retenir la biomasse à croissance lente dégradant les hydrocarbures (Pseudomonas, Rhodococcus, Acinetobacter) et suffisamment court pour éviter un excès d'EPS qui coller ait les gouttelettes d'huile à la membrane. Consigne d'oxygène dissous : 1,5-2,5 mg/L dans le bassin d'aération, 3-5 mg/L dans la zone de décapage membranaire où le flux tangentiel est le plus élevé. Le contrôle du pH entre 6,5 et 8,0 est assuré par un système de dosage chimique automatique raccordé à la sortie du bassin d'homogénéisation.
| Paramètre | Conception pour eaux de fond de bac | MBR municipal (à titre de comparaison) | Facteur déterminant |
|---|---|---|---|
| MES | 8 000-10 000 mg/L | 10 000-12 000 mg/L | Viscosité et facteur α |
| F/M | 0,05-0,15 kg DCO/kg MES·j | 0,10-0,20 | Hydrocarbures réfractaires |
| TRH (aération) | 18-36 h | 4-8 h | Cinétique lente des hydrocarbures |
| TRH (membrane) | 1-2 h | 1-2 h | Vitesse de flux tangentiel |
| TRB | 30-60 j | 15-30 j | Spécialisation de la biomasse |
| OD (aération) | 1,5-2,5 mg/L | 1,5-2,0 mg/L | La zone de décapage en exige davantage |
| OD (décapage) | 3-5 mg/L | 2-4 mg/L | Demande en O₂ du décapage à l'air |
| pH | 6,5-8,0 | 6,5-8,0 | Fenêtre de nitrification |
Étape 4 — Sélectionner le flux de conception et la surface membranaire
Le choix du flux est le point où la conception d'un MBR pour effluent huileux s'écarte le plus radicalement des ouvrages génériques. Appliquez 10-15 LMH pour un effluent huileux/émulsionné et 15-20 LMH uniquement lorsque le DAF en amont a ramené les huiles et graisses (O&G) sous 20 mg/L ; 20-25 LMH — le chiffre municipal classique des manuels — n'est pas tenable sur des eaux de fond de bac, quelle que soit la propreté apparente de l'amont sur un échantillon ponctuel. La formule de dimensionnement est Surface membranaire (m²) = Q_pointe (m³/h) ÷ [flux (LMH) × 0,001] × facteur de sécurité (1,10-1,20). Les modules à plaques planes en PVDF immergées sont préférés aux fibres creuses pour les effluents huileux : la géométrie à plaques planes permet un décapage à l'air rigide sur toute la face du panneau, et l'huile se détache de la surface plane pendant la relaxation, tandis qu'elle se loge durablement dans les lumières des fibres creuses et nécessite un nettoyage de récupération. Un module à plaques planes série DF avec une taille de pore de l'ordre de 0,1 µm, conditionné en système intégré de bioréacteur à membrane (MBR) de 80 à 225 m² par cassette, produit de 32 à 135 m³/jour par module. Pour un exemple chiffré, prenez un débit de conception de 200 m³/jour en moyenne × facteur de pointe 1,75 = 350 m³/jour = 14,6 m³/h en pointe ; à un flux de conception de 12 LMH : 14,6 ÷ (12 × 0,001) × 1,15 = ~1 400 m², soit 7 à 8 cassettes série DF de 225 m². À comparer à un MBR municipal pour le même débit de 200 m³/jour, qui prescrirait ~250-350 m² — la conception pour effluent huileux mobilise 4 à 5 fois la surface membranaire pour absorber la charge de colmatage.
| Condition d'alimentation | Flux de conception (LMH) | Facteur de sécurité | Intervalle de CIP (semaines) |
|---|---|---|---|
| Huileuse/émulsifiée, H&G 50-100 mg/L | 10-12 | 1,20 | 2-4 |
| Prétraitée, H&G <20 mg/L | 15-20 | 1,15 | 4-8 |
| Référence municipale | 20-25 | 1,10 | 4-12 |
Étape 5 — Dimensionner l'aération de balayage et la recirculation
L'aération de balayage constitue la deuxième charge énergétique la plus importante après le pompage, et c'est la variable qui détermine si la membrane fonctionne deux semaines ou deux mois entre les nettoyages. Le besoin en air de balayage est de 0,3 à 0,5 Nm³/m² de surface membranaire·h pour les modules à plaques planes, fourni par des soufflantes dédiées dimensionnées à 1,2× la plaque signalétique afin d'absorber le déclassement lié à l'altitude et à l'encrassement. Pour l'exemple concret de 1 400 m², cela représente 420 à 700 Nm³/h d'air de balayage dédié — une soufflante non négligeable. Le recyclage du bassin membranaire vers le bassin d'aération fonctionne à 3-5× le débit de perméat afin de maintenir une distribution homogène des MES et d'empêcher le lit de boues de se déposer sur les panneaux membranaires ; spécifiez une pompe centrifuge à aspiration axiale en fonte ductile ou en inox 316 avec un joint mécanique adapté au service hydrocarbures (élastomères HNBR ou FKM). Les boues extraites à 1-2 % du débit d'entrée sont acheminées vers un filtre-presse à plateaux pour un déshydratage jusqu'à un gâteau de 18-22 % de MS — les boues biologiques résiduaires transportent des hydrocarbures adsorbés, le filtre-presse doit donc se trouver en zone classée et le filtrat renvoyé en tête du DAF.
Étape 6 — Protocole d'essai pilote et fréquence de CIP
Aucun MBR à pleine échelle ne devrait être engagé sur une eau de fond de bac sans un essai pilote de 8 à 12 semaines, couvrant idéalement un arrêt complet ou une variation saisonnière afin de capturer le pic de H&G le plus défavorable. Enregistrez la PTM, le flux, la température, les MES et le débit d'air de balayage toutes les 15 minutes via l'automate du skid pilote ; déclenchez un CIP lorsque la PTM atteint 30-40 kPa (contre une référence propre de 5-10 kPa). Produits de CIP : 1 000-2 000 mg/L de NaOH + 200-500 mg/L de NaOCl pour la récupération organique/colmatante, suivis de 1-2 % d'acide citrique pour le tartre minéral (calcium, sulfure de fer provenant des dessaleurs). Séquence de CIP standard : trempage alcalin 2 h → rétrolavage → trempage acide 1 h → rétrolavage → remise en service, chaque transition étant consignée pour le ΔPTM. La fréquence de CIP attendue sur une alimentation huileuse est de 2 à 8 semaines, contre 4 à 12 semaines pour une alimentation municipale — cet écart est une donnée directe de coût de possession (NaOH, NaOCl, acide citrique, temps d'arrêt) qui doit être intégrée dans l'OPEX du cycle de vie, et non absorbée comme un appel de maintenance imprévu. Un essai pilote atteignant plus de 6 semaines entre les nettoyages au flux de conception constitue le jalon go/no-go technique pour l'achat à pleine échelle.
| Symptôme d'encrassement | Cause probable | Action corrective |
|---|---|---|
| PTM augmente de 5 à 10 kPa en <7 jours | Percée d'huiles et graisses depuis le DAF | Vérifier le ratio air:huile du DAF ; vérifier le dosage de polymère |
| PTM plafonne puis bondit | Accumulation de biofilm / EPS | NEP alcalin+NaOCl ; revoir l'âge des boues |
| Pics de PTM lors d'un épisode pluvieux | Facteur de pointe dépassant la conception | Augmenter le TRH du bassin d'égalisation ; limiter le débit d'entrée |
| Baisse du flux à PTM constante | Polarisation de la couche de gel | Augmenter l'extraction des MES ; vérifier la viscosité |
| ΔPTM irréversible après NEP | Oxydation du PVDF / encrassement irréversible | Remplacement du module ; audit de la concentration en NaOCl |
Questions fréquentes
Quel flux utiliser pour un MBR sur eau de fond de bac ?
10 à 15 LMH pour une alimentation huileuse/émulsifiée ; 15 à 20 LMH uniquement lorsque le DAF en amont maintient les huiles et graisses sous 20 mg/L. La valeur par défaut municipale de 20 à 25 LMH n'est pas tenable sur eau de fond de bac.
Quelle concentration en MES convient pour un MBR de fond de bac huileux ?
8 000 à 10 000 mg/L — en dessous de la plage municipale de 10 000 à 12 000 mg/L, car les hydrocarbures émulsifiés augmentent la viscosité de la liqueur mixte et au-delà de 12 000 mg/L le transfert d'aération s'effondre.
Quel prétraitement est nécessaire avant le MBR ?
Séparateur API → égalisation 24-48 h → DAF jusqu'à <50 mg/L d'huiles et graisses (de préférence <20 mg/L) → ajustement pH/température. Le DAF est l'opération unitaire qui protège la membrane du colmatage.
À quelle fréquence le MBR nécessitera-t-il un NEP sur eau de fond de bac ?
Toutes les 2 à 8 semaines sur une alimentation huileuse contre 4 à 12 semaines sur une alimentation municipale. Déclencher le NEP lorsque la PTM atteint 30-40 kPa, en utilisant NaOH+NaOCl pour les matières organiques et l'acide citrique pour l'entartrage.
Quel est l'impact coût de l'utilisation de l'OI après le MBR ?
L'effluent du MBR affiche typiquement 10-50 mg/L de DCO et <1 NTU — une alimentation adéquate pour l'OI, mais un TDS de 5 000 à 80 000 mg/L signifie que l'OI subit des pressions osmotiques de 1 à 15 bar, et le choix de l'antitartre doit gérer la silice et les sulfates résiduels provenant du DAF en amont.
Équipements associés
- Module membranaire plan série DF — spécifications, plage de capacité et données techniques
