Bioréacteurs à membranes (MBRS) pour le traitement des eaux usées

Définition

Les bioréacteurs à membranes (MBRS) sont une bonne alternative aux systèmes conventionnels de traitement biologique par boues activées pour le traitement des eaux usées.

Ce système consiste en une modification du système conventionnel de boues, car les bassins secondaires de sédimentation, propres au système conventionnel, sont remplacés par des unités de membranes.

Il est composé d’une combinaison de :

• Bioréacteur : dans lequel une suspension concentrée de microorganismes dégrade les polluants présents dans l’eau.
• Unité de Filtration par Membranes (0,01-0,04 µm) : qui sépare la biomasse de l’eau purifiée.

Les bioréacteurs à membranes se composent de plusieurs membranes et d’un bioréacteur. Le module de filtration peut être externe ou interne au bioréacteur. La différence est que la consommation énergétique dans le système MBR externe est dix fois supérieure à celle du système interne.

Cependant, les MBR externes présentent certains avantages par rapport aux internes, comme par exemple la possibilité de nettoyer in situ les membranes, un accès facile aux modules, la possibilité de modifier le nombre de modules et l’opportunité d’optimiser l’aération du bioréacteur pour obtenir des coefficients de transfert d’oxygène maximaux.

Il existe également une configuration novatrice de MBRS appelée Air lift MBR, qui consiste en un MBR externe, offrant ainsi un accès facile aux membranes et fonctionnant avec des débits faibles. Mais, d’autre part, elle présente également les avantages d’un système interne, c’est-à-dire qu’elle représente une faible consommation énergétique (0,5 kwh/m3).

En définitive, le système de bioréacteurs à membranes est une technologie capable de rivaliser avec les systèmes conventionnels de boues, car ils permettent d’obtenir un effluent de qualité et présentent une grande polyvalence de conception.

Avantages

Ce système est adapté tant pour le traitement des eaux usées urbaines que pour les eaux usées industrielles biodégradables. La plupart des applications de ce système se trouvent dans le secteur alimentaire, pharmaceutique, cosmétique et dans les décharges.

Les principaux avantages du système MBRS par rapport aux boues activées sont que :

• Effluent de haute qualité avec faible production de boues : il fonctionne avec une concentration de biomasse élevée.
• Installations relativement petites : en raison de l’absence de sédiments.

D’autres avantages à prendre en compte sont :

• Liberté de contrôler le processus : permet la manipulation des temps de résidence hydrauliques et de biomasse.
• Augmentation de la séparation : associée à la technologie des membranes.

Inconvénients

Le système MBRS présente un inconvénient principal par rapport aux boues activées :

• Coûts élevés de prévention et d’élimination de la salissure des membranes : il génère plus de salissure que d’autres systèmes en raison du fait que le milieu est soumis à une agitation plus importante par rapport au système conventionnel de boues, ce qui produit une plus grande production de SPE.

Types de Salissure

La perméabilité des membranes est influencée par les caractéristiques des boues. Les cellules présentes dans les boues peuvent former une couche autour de la membrane pendant la filtration et créer un biofilm qui réduit la perméabilité, un problème qui peut être aggravé par le dépôt de particules et l’adsorption de matériaux colloïdaux.

Des facteurs biologiques, tels que la présence de nutriments, l’âge des boues et le niveau d’agitation, affectent la production de substances polymériques extracellulaires qui sont responsables de la salissure.

Tout type de salissure se produit à différentes étapes dans le temps. Pendant la filtration, l’augmentation de la pression transmembranaire est principalement due à la formation de la couche qui obstrue la membrane. En fonction du moment où la salissure se produit, on peut distinguer les types suivants :

1. Réversible : La salissure produite par la couche qui obstrue la membrane peut être éliminée par un nettoyage physique.
2. Irréversible : Cela dépendra de la ténacité avec laquelle la saleté se fixe à la membrane. À long terme, le nettoyage physique ne peut pas résister à la pression transmembranaire initiale et pour éliminer la salissure, un nettoyage chimique est nécessaire.
3. Irrecuperable : La salissure ne peut plus être éliminée par nettoyage chimique et l’augmentation progressive de la pression transmembranaire sur plusieurs années ne peut pas être évitée, ce qui définit la durée de vie de la membrane.

Facteurs de Salissure

Connaître les principaux facteurs de salissure des membranes est essentiel pour pouvoir réaliser une stratégie d’opération efficace. Les facteurs qui interviennent dans la salissure peuvent être classés en :

1. Caractéristiques de la membrane
2. Conditions d’opération
3. Propriétés de la biomasse

Prendre en compte la vitesse et le type de salissure que subissent les bioréacteurs à membranes est crucial lors de la décision d’opter pour ce système de traitement des eaux usées.

Ces facteurs sont d’une grande importance, car ils conditionnent les coûts d’opération et de maintenance. Ainsi, les connaître peut nous être utile pour minimiser leurs effets.

De plus, tous les paramètres impliqués dans la conception et l’opération d’un bioréacteur à membranes ont un effet sur la salissure. En fait, les trois facteurs mentionnés précédemment sont interconnectés.

Nous allons maintenant analyser chacun d’eux afin de réduire la salissure.

Caractéristiques des membranes

• Matériau : Les différents matériaux dont sont fabriquées les membranes présentent différentes tendances à la salissure. Les membranes organiques se salissent plus facilement que celles composées de matériaux inorganiques. Bien que ces dernières soient plus résistantes et moins sujettes à la salissure, elles sont peu utilisées en raison de leur prix.
• Taille et distribution des pores : Si la taille de la particule est inférieure à la taille du pore, il faut tenir compte de la salissure par rétrécissement du pore. C’est pourquoi la salissure est plus rapide dans les membranes de microfiltration que dans celles d’ultrafiltration.
• Configuration : La configuration de la membrane affecte les conditions hydrodynamiques, mais pas la filtrabilité des boues. Les membranes à fibres creuses qui sont généralement utilisées dans les MBR internes sont plus sujettes à la salissure que les membranes tubulaires ou planes, et présentent également une plus grande salissure si elles sont installées horizontalement plutôt que verticalement.

Conditions d’opération

Lorsque les bioréacteurs à membranes fonctionnent à un débit constant, la vitesse de salissure est plus faible que lorsqu’on travaille avec une pression transmembranaire constante. Bien que le débit constant provoque une salissure irréversible qui favorise le rétrécissement des pores.

• Débit de perméat : C’est le principal paramètre opérationnel qui conditionne la salissure, car lorsque l’on travaille avec un débit supérieur à la valeur spécifique ou critique, on observe une salissure rapide et également irréversible.
• Débit transversal : L’augmentation du degré de turbulence provoquée par le débit transversal réduit la salissure. Mais une vitesse de débit transversal trop élevée peut endommager la structure du floc et favoriser la libération de produits microbien solubles dans le milieu. Avec des vitesses faibles, les particules se déposent plus facilement dans les pores les plus grands de la membrane de microfiltration.
• Aération : Dans les bioréacteurs à membranes, l’aération, en plus de fournir de l’oxygène à la biomasse et de maintenir les boues actives en suspension, réduit également la salissure grâce au frottement continu des bulles avec la surface de la membrane. Il faut garder à l’esprit qu’une aération trop intense pourrait endommager la structure du floc et favoriser la libération de produits microbien solubles dans le milieu.
• Temps de rétention cellulaire (TRH) : Des TRH élevés impliquent des débits de perméat faibles et peu de salissure, tandis que des TRH faibles entraînent une augmentation du débit de perméat et de la concentration de matière dissoute dans le milieu. Ce qui provoque une plus grande salissure. La modification de ce paramètre provoque des variations dans la salissure, car elle est liée à d’autres paramètres.
  • Temps de rétention cellulaire (TRC) : Il est également lié à d’autres paramètres, ce qui rend difficile de déterminer son effet sur la salissure, car il n’est pas une cause directe de celle-ci. Tant le TRH que le TRC affectent d’autres facteurs qui sont directement liés à la salissure. Comme avec le TRH, plus le TRC est bas, plus la salissure est provoquée. Bien qu’un TRC très élevé provoque également une augmentation de la salissure, un TRC optimal est calculé entre 20 et 50 jours.
  • Altérations de l’état stationnaire : Les changements tels que les variations de débit, la composition de l’eau à traiter et les changements de température sont des facteurs qui conditionnent la salissure de la membrane. En définitive, tout état non stationnaire augmente la salissure.

Caractéristiques du milieu

• Distribution des tailles : La taille des particules présentes dans le liquide joue un rôle important dans la salissure. Les solides en suspension (flocs et matériau polymérique extracellulaire lié) ont moins d’importance dans la salissure que les colloïdes et le matériau dissous (produits microbien solubles).
• Viscosité : La viscosité, qui est liée à la température et à la concentration de solides, affecte également la salissure de la membrane, et modifie l’hydrodynamique du milieu et l’aération. Si la concentration de solides augmente jusqu’à une valeur critique, la viscosité augmente de manière exponentielle et la salissure augmente également.
• Température : L’utilisation de températures basses provoque une plus grande salissure, car elle augmente la viscosité, intensifie la floculation et réduit la biodégradation.
• Oxygène dissous : Des concentrations élevées d’oxygène sont généralement associées à de moindres tendances à la salissure.
• Propriétés du Floc : Les flocs moins hydrophobes provoquent généralement moins de salissure sur la surface de la membrane. Cependant, les flocs peu hydrophobes sont plus susceptibles de se détériorer, ce qui augmente la résistance à la filtration de la couche.
• Substances polymériques extracellulaires liées (SPEL) : Les SPEL (matériaux de construction d’agrégats microbien) représentent les principaux composants du floc et jouent un rôle crucial dans la salissure. Il existe une relation directe entre les SPEL et la résistance spécifique de la couche de filtration, bien qu’elle ne puisse pas être considérée individuellement comme une cause de salissure, car elle est liée à de nombreux facteurs. Ce facteur ne peut pas être contrôlé directement, il est donc nécessaire de réguler d’autres facteurs pour minimiser la salissure. Il convient de souligner le TRC, qui présente une valeur optimale pour la production minimale de SPEL et pour atténuer la salissure.
• Produits microbien solubles (PMS) : Ce groupe comprend les biopolymères solubles ou colloïdaux d’origine cellulaire. Pendant la filtration, les PMS s’adsorbent à l’intérieur des membranes, bloquant les pores et formant une structure gélatineuse à la surface de la membrane. Les PMS et la taille des flocs sont les deux aspects qui conditionnent le plus la salissure. Actuellement, il n’existe pas de méthode fixe pour déterminer leur concentration. Comme pour les SPEL, le TRC joue un rôle fondamental par rapport à la salissure. En augmentant le TRC, les SPEL, le SPE et les PMS diminuent. Il a également été observé que les PMS diminuent en minimisant les concentrations d’oxygène dissous et de nitrate dans le milieu.

Techniques de contrôle de la Salissure

La salissure des membranes est un phénomène qui conditionne l’opération et la maintenance des systèmes de filtration, car elle limite la durée de vie des membranes. Les techniques pour minimiser la salissure visent également à optimiser les propriétés de la membrane, les conditions d’opération et les caractéristiques de la biomasse. Mais, d’autre part, ces techniques ne suppriment pas la nécessité de nettoyages physiques et chimiques périodiques de la membrane.

Ainsi, répondre au contrôle de la salissure est un aspect vital dans la conception et l’utilisation des bioréacteurs à membranes. Les actions nécessaires pour maintenir la vitesse de salissure sous contrôle sont les suivantes :

• Effectuer des nettoyages périodiques de la membrane.
• Modifier les caractéristiques de la biomasse.
• Optimiser les paramètres d’opération.

Le nettoyage de la membrane est la méthode la plus simple pour contrôler la salissure. Le nettoyage peut être physique (basé sur des méthodes mécaniques) ou chimique (utilisant un agent oxydant). Le nettoyage physique est plus simple que le nettoyage chimique, et comme il n’introduit pas de substances chimiques, la membrane n’est pas endommagée. Cependant, ce type de nettoyage physique est moins efficace, car il n’agit que sur la salissure réversible, tandis que le nettoyage chimique élimine également la salissure irréversible.

D’une part, le nettoyage physique des membranes peut être effectué de deux manières différentes : en cessant le flux de perméat (relaxation) ou en inversant le sens du flux de perméat (contre-lavage). L’option de contre-lavage est intégrée dans la conception de nos MBR comme stratégie pour remédier à la salissure.

Cette option permet d’éliminer la majeure partie de la salissure due au blocage des pores et une partie de la salissure causée par la couche de filtration. Afin de minimiser la salissure, tout en économisant le maximum d’énergie possible, il faut tenir compte de l’importance de la fréquence, de la durée et de l’intensité du contre-lavage. Les contre-lavages plus rares, mais plus longs, sont plus efficaces que les contre-lavages plus courts et fréquents.

On peut également utiliser de l’air dans le contre-lavage pour augmenter le perméat, mais cela nécessite des périodes plus longues et fréquentes, et peut compromettre l’intégrité de la membrane. La relaxation de la membrane, c’est-à-dire la filtration discontinue. Bien que la vitesse de salissure soit plus élevée pendant la filtration continue, la relaxation permet de prolonger la période de filtration et de retarder la nécessité de nettoyage.

Actuellement, on privilégie la combinaison de la filtration discontinue avec le contre-lavage afin d’optimiser les résultats. La relaxation sans contre-lavage augmente l’accumulation lente de salissure, mais conserve le biofilm de la membrane. Ce biofilm est plus sélectif que la membrane, ce qui peut être bénéfique tant que la résistance n’est pas excessive.

D’autre part, le nettoyage chimique doit être effectué périodiquement pour compléter le nettoyage physique et ainsi éliminer la salissure irréversible. On peut différencier différents types selon leur intensité :

• Contre-lavage chimique (quotidien)
• Nettoyage de maintenance (hebdomadaire)
• Nettoyage intensif (semestriel)

Actions Préventives :

• Améliorer les propriétés anti-salissure de la membrane : très poreuses et avec un caractère hydrophile.
• Optimiser les conditions d’opération : maintenir les variables d’opération (TRH, TRC, Débit de perméat, Aération, débit transversal) contrôlées pour limiter la salissure, par les méthodes suivantes : systèmes de contrôle de rétroaction, réduction du débit de perméat, augmentation de l’aération (sans atteindre la valeur critique), prétraitement de l’eau à traiter.
• Préparer la biomasse pour réduire la capacité de salissure : les caractéristiques de la biomasse biochimiquement par le contrôle du Temps de Rétention Cellulaire (TRC) ou chimiquement (avec l’ajout de floculants, coagulants et adsorbants).

En définitive, le contrôle de la salissure est clé pour le fonctionnement optimal des bioréacteurs à membranes, il est donc nécessaire d’effectuer des nettoyages périodiques.

Conclusions

En tenant compte des 3 facteurs principaux dont dépend la salissure des MBR, la membrane la plus appropriée doit avoir une surface hydrophile avec une taille de pore petite et uniforme. Elle doit fonctionner à des débits de perméat modérés, avec aération et une vitesse de débit transversal de 0,5 à 3 m/s.

Des TRH élevés et des TRC de 20 à 50 jours sont également nécessaires. Il faut viser des températures de 25 à 30 ºC et des concentrations d’oxygène dissous de 1 à 2 ppm. En résumé, il faut éviter les situations de stress pour la biomasse qui provoquent des concentrations élevées de SPEL et de PMS dans le milieu.