Présentation du MBR

1. Que sont les bioréacteurs à membrane ?

La filtration sur membrane joue un rôle majeur dans le traitement de l'eau et des eaux usées, qui est supérieure aux technologies de l'eau conventionnelles avec de meilleures performances prouvées et une économie plus efficace. Les procédés membranaires de base sont la microfiltration (MF), l'ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF), osmose inverse (RO). Les plages de séparation de ces membranes sont les suivantes : 100 à 1 000 nm pour MF, 5 à 100 nm pour UF, 1 à 5 nm pour NF et 0,1 à 1 nm pour RO.  Depuis plus de 10 ans, les MBR sont apparus comme une technologie de traitement secondaire efficace en utilisant des membranes dans la gamme MF et UF.

Fig.1, Classification des membranes selon la taille des pores

Les procédés de bioréacteur à membrane (MBR) sont principalement utilisés pour le traitement des eaux usées (WWT) en utilisant la microfiltration (MF) ou l'ultrafiltration (UF) et en les intégrant à un processus biologique comme une croissance suspendue bioréacteur. Les membranes sont utilisées comme filtre éliminant les solides développés au cours du processus biologique, ce qui donne un produit clair et exempt d'agents pathogènes. Un exemple visuel peut être trouvé dans l'image suivante d'un MBR immergé (iMBR) dans la figure 2.

Fig.2, Les eaux usées passent à travers un tamis fin pour éliminer les gros objets qui pourraient endommager les équipements en aval. Ensuite, il entre dans une zone anoxique pour le traitement des matières azotées et du phosphate, après une zone aérobie où les micro-organismes, avec l'aide de l'oxygène sortant du FBD, digèrent les matières organiques contenues dans les eaux usées et s'agglutinent ce faisant, produisant une boue. Ces boues entreront dans le bioréacteur à membrane immergée où la membrane se séparera  les solides et les micro-organismes de l’eau.

Un bioréacteur à membrane est essentiellement un remplacement dans le système conventionnel à boues activées (CAS) pour le réservoir de décantation pour la séparation solide/liquide. Le MBR offre à l'utilisateur final un contrôle amélioré du processus et une bien meilleure qualité de l'eau produite.

Le procédé MBR fonctionne sur une gamme de paramètres considérablement différente de celle du procédé à boues activées conventionnel

• SRT 5 à 20 jours pour le système conventionnel - 20 à 30 jours pour le MBR
• F/M 0,05 -1,5 d-1pour système conventionnel - < 0,1 d-1 pour MBR
• MLSS 2 000 mg/L pour le procédé conventionnel - 5 000 -20 000 mg/L pour le MBR

En général, les MBR ont trois configurations de membrane distinctes (Fig.3),

1. drap plat (FS)
2. fibre creuse (HF)
3. multitube (MT)

Fig. 3, configurations de membrane MBR, A) Fibre creuse, B) Multitube, C) Feuille plate

2. Applications MBR

Les MBR sont généralement une option privilégiée dans les cas suivants :

1. L'espace est limité
2. L'utilisateur final a besoin d'une eau traitée de haute qualité (par exemple pour la réutilisation de l'eau)

Des réglementations environnementales de plus en plus strictes, associées à une diminution des CAPEX et des OPEX MBR, ont conduit à une augmentation du nombre d'installations et de leur taille partout dans le monde. Les MBR sont désormais mis en œuvre dans plus de 200 pays à travers le monde avec un certain nombre d'usines d'une capacité supérieure à 4 200 m³/j et leurs taux de croissance allant jusqu'à 15 % sont régulièrement rapportés dans diverses analyses de marché.

Habituellement, la technologie MBR est appliquée aux eaux usées contenant du carbone organique facilement biodégradable. Ce dernier point est particulièrement vrai lorsqu'il s'agit du secteur de l'alimentation et des boissons, qui a largement utilisé les technologies MBR.

Les marchés des eaux usées contenant des contenus peu biodégradables (par exemple les lixiviats de décharges et les effluents pharmaceutiques) ont également vu une croissance des MBR en raison des longs temps de rétention des solides (SRT) qui permettent un traitement biologique amélioré par rapport à celui des processus biologiques conventionnels.

Les eaux contenant de l'huile en suspension (végétale ou minérale) nécessitent un prétraitement (par exemple, séparation sur plaques, flottation à air dissous ou les deux) afin de protéger la membrane.

Bien que le marché mondial du MBR soit principalement dominé par quelques grandes entreprises, le nombre de fournisseurs de technologies continue de croître, avec plus de 70 produits de modules à membrane MBR disponibles sur le marché aujourd'hui.

En général, les MBR ont été appliqués pour traiter les effluents dans un certain nombre de secteurs industriels, comme :

1.      nourriture et boissons &moins ; riche en charge organique

2.      industrie pétrolière &moins; secteurs de l'exploration, du raffinage et de la pétrochimie

3.      pharmaceutique industrie - contiennent des ingrédients pharmaceutiques actifs (API)

4.      industrie des pâtes et papiers &moins; niveaux élevés de matières en suspension, de DCO et de DBO

5.      effluent de l'industrie textile &moins; re-biodégradabilité, toxicité, teneur en FOG et couleur

6.      lixiviat de décharge &moins; grande variété de composés organiques et inorganiques dissous et en suspension

7.      effluents des navires &moins; exigences législatives et restrictions d'espace.

8.      Traitement industriel versus traitement municipal

 

3. Quels sont les avantages des MBR ?

Il est généralement reconnu que les bioréacteurs à membrane présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux autres technologies de traitement des eaux usées.

• I.    Contrôle indépendant du HRT et du SRT
• II.   Effluent de haute qualité
• III.  Faible encombrement
• IV.  Biotraitement amélioré.
• V.   Contrôle indépendant du HRT et du SRT
• VI.  MBR OPEX

I.    Contrôle indépendant du HRT et du SRT

Comme les solides biologiques (liqueur mélangée ou boues) sont entièrement contenus dans le bioréacteur, cela permet de contrôler le temps de rétention des solides (SRT) indépendamment du temps de rétention hydraulique (HRT). Dans le processus CAS, les solides floculants (« flocs ») qui constituent essentiellement la biomasse doivent pouvoir croître en taille jusqu'au point où ils peuvent être décantés dans le clarificateur secondaire. Ainsi, dans CAS, le HRT et le SRT sont connectés ; à mesure que le HRT augmente, les flocs doivent croître, ce qui augmente alors leur décantation.

II.   Effluent de haute qualité

Les pores de la membrane du MBR étant de petite taille (<0,5), l'effluent traité présente une très grande clarté et une concentration d'agents pathogènes considérablement réduite par rapport au processus CAS. L'effluent a une qualité suffisamment élevée pour être rejeté dans les plans d'eau ou pour être utilisé pour des applications telles que l'irrigation urbaine, les services publics ou la chasse d'eau des toilettes. Il peut également être introduit directement dans un processus d'osmose inverse afin d'obtenir un perméat d'une qualité d'eau encore supérieure.

III.  Faible encombrement

CAS a un HRT élevé, ce qui nécessite une plus grande taille d'usine. Dans les MBR, en raison des concentrations plus élevées obtenues, la même masse totale de solides est contenue dans un volume plus petit, donc l'empreinte est plus petite.

IV.  Un meilleur biotraitement

Les MBR ont un SRT plus élevé, ce qui tend à fournir un meilleur biotraitement global en encourageant le développement de micro-organismes à croissance plus lente, en particulier les nitrifiants. Ce fait rend les MBR très efficaces pour l'élimination biologique de l'ammoniac («nitrification»).

V.   Quels sont les inconvénients des MBR ?

Les principaux inconvénients d'un MBR sont la complexité du processus opérationnel et le coût qui se traduit en CAPEX et OPEX.

Ces derniers sont très sensibles au coût de la membrane. L'OPEX est également sensible à,

• la durée de vie de la membrane
• flux de perméation
• le taux d'affouillement par l'air de la membrane (énergie d'affouillement par l'air)

VI.   MBR OPEX

En général, les principaux éléments qui affectent le MBR OPEX incluent :

1. coût de la membrane/m² surface de la membrane
2. durée de vie des membranes en années
3. Flux net de perméat (débit produit/surface unitaire), tenant compte du temps d'arrêt et de l'utilisation de l'eau produit pour le nettoyage de la membrane
4. demande d'aération spécifique de la membrane (SADm) en Nm³/m² surface de membrane/h. Nm³ est le volume d'air à une température de 20°C et une pression de 1 bar.
5. coût du terrain/m² de superficie du terrain
6. coût énergétique/kWh
7. valeur de l'amélioration de la qualité de l'eau

(7) n'est pas facilement quantifiable, mais il peut être traduit en empreinte environnementale quantitative grâce à l'analyse du cycle de vie.

 

6. Évaluation de CAS par rapport au MBR

Pour que le CAS produise un effluent avec la même qualité d'eau que celle du MBR, il peut avoir besoin de tout ou partie des éléments suivants :

1. des réservoirs plus grands (et donc une plus grande superficie) pour un THS prolongé
2. dosage accru de produits chimiques pour atteindre une concentration élevée en phosphore (P)
3. post-traitement avec un filtre multimédia (MMF) ou une ultrafiltration/microfiltration (UF/MF) pour obtenir une qualité d'eau traitée comparable à celle du MBR en ce qui concerne les matières en suspension (SS) et la concentration de micro-organismes.

Pour les installations existantes, leur modernisation avec un MBR est déterminée par la surface disponible. Cela permet d'améliorer la qualité de l'eau traitée et/ou d'augmenter la capacité de débit, mais avec une demande énergétique plus élevée.

7. Configurations MBR

La filtration sur membrane MBR a deux configurations principales ; 1) membranes sous vide immergées directement dans le bioréacteur (iMBR) et 2) filtration sous pression dans des MBR à flux latéral (sMBR) (Fig.4).

Fig.4, Principales configurations commerciales de MBR ; (A) MBR immergé, (B) MBR latéral

Les MBR nécessitent une force de cisaillement sur la surface de la membrane afin d'éviter l'encrassement de la membrane dû au contenu des eaux usées et sont essentiels au maintien du flux de perméat souhaité.

Lorsqu'un flux d'air/liquide s'écoule parallèlement à la surface de la membrane, il crée une force de cisaillement qui permet de limiter le degré d'encrassement de cette dernière (Fig.5).

 

Fig.5, Utilisation des bulles d'air provenant de l'aération pour nettoyer la surface des membranes MBBR

Les processus immergés utilisent l'aération dans le bioréacteur pour cette raison, mais les MBR secondaires doivent recourir au pompage, comme avec la plupart des autres processus membranaires. Cette différence dans les demandes énergétiques explique la domination du marché des configurations iMBR.

De plus, l'encrassement dans les sMBR est plus élevé en raison du pompage de boues activées qui augmente la contrainte de cisaillement des flocs microbiens, provoquant leur rupture, ce qui entraîne une diminution de la taille des particules et la libération de matières encrassantes.

Les configurations MBR ont trois configurations de membrane principales actuellement utilisées en pratique,

1. drap plat (FS)
2. fibre creuse (HF)
3. multitubes ou multicanaux (MT/MC)

Bien que les sMBR consomment plus d'énergie que les iMBR, ils offrent un certain nombre d'avantages :

a.   surface de membrane réduite, grâce à un fonctionnement à flux plus élevé

b.  flexibilité opérationnelle pour le fonctionnement et l'amp; cycle de nettoyage ; contrairement à iMBR, le nettoyage chimique in situ des membranes peut être effectué sans aucun risque chimique pour la biomasse.

c.  les coûts de maintenance et d'arrêt de l'usine, en particulier pour le remplacement des modules à membrane, sont généralement légèrement inférieurs ; les modules sont facilement accessibles et peuvent donc être remplacés dans un temps beaucoup plus court que pour les membranes immergées

d.  les modules à membrane peuvent être mis en et hors ligne en fonction de la charge hydraulique

e.  un fonctionnement à des concentrations de solides plus élevées est possible

f.  un fonctionnement avec une demande énergétique inférieure est possible si la pression et les débits sont réduits ou si les membranes sont configurées pour un fonctionnement par air, bien que cela nécessite alors plus de surface de membrane

Pour les petits débits d'effluents difficiles à traiter, le sMBR est souvent prédominant en raison de son fonctionnement simple, de son encombrement réduit et de sa maintenance plus simple, notamment lorsqu'il s'agit de remplacer la membrane. Pour les très grandes installations, l'iMBR est toujours sélectionné avec les membranes HF puisque l'OPEX est généralement plus faible.

Pour les flux intermédiaires, nous choisissons généralement un iMBR HF ou FS. Le FS est plus simple à utiliser mais le coût de la membrane/m² et la demande énergétique sont légèrement supérieurs à ceux de la configuration HF.

Enfin, bien que la plupart des sMBR utilisent la configuration de pompe classique, si les membranes sont disposées en série selon un motif en serpentin, elles peuvent fonctionner en mode air-lift, ce qui a une demande d'énergie presque identique à celle des iMBR et peuvent donc être envisagées pour les applications d'eaux usées municipales avec l'avantage d'un encombrement réduit et d'une élimination efficace des chiffons. Les membranes sont cependant généralement plus coûteuses que celles immergées.

8. Fonctionnement et maintenance du MBR - encrassement, colmatage et nettoyage

La baisse de perméabilité des MBR est principalement causée par l'encrassement de la membrane et le colmatage des canaux membranaires :

1. En « encrassant » nous entendons le revêtement de la surface de la membrane ou le colmatage des pores de la membrane avec des solides dissous, colloïdaux ou fins. Il est normalement éliminé par les cycles de nettoyage physique et chimique.
2. En «colmatage» nous entendons l'agglomération de solides grossiers à l'intérieur ou à l'entrée des canaux membranaires. Le colmatage dans les canaux est parfois appelé « boue ».

Dans les eaux usées municipales, les membranes peuvent parfois aussi être obstruées par des «chiffons» (ou «tresses») formées à partir de matière filamenteuse agrégée (en particulier de fibres textiles telles que le coton). Nous appelons cela « ragging » ou « tressage ».

Fig.6. Baisse de perméabilité dans les MBR

Le nettoyage des membranes peut être physique ou chimique. Le nettoyage physique élimine les solides grossiers fixés à la surface de la membrane (encrassement réversible). Le nettoyage chimique élimine les matières plus tenaces (encrassement irréversible).

1. Le nettoyage physique est normalement effectué par «backflushing» (inversant le reflux à travers la membrane) qui peut être amélioré par une combinaison avec de l'air, ou par une «relaxation» (cesser la perméation tout en continuant à récurer la membrane avec des bulles d'air). Ces deux techniques peuvent être utilisées en combinaison
2. Le nettoyage chimique utilise généralement de l'hypochlorite de sodium (NaOCl), un produit chimique oxydant, en combinaison avec des acides minéraux ou organiques (le plus souvent de l'acide citrique, C₆H₈O₇) sans retirer la membrane du réservoir ou du skid (nettoyage en place ou NEP). Si le nettoyage chimique est combiné avec un rétrolavage, on parle normalement de « rétrolavage chimiquement amélioré ». (CEB). Les CEB sont régulièrement effectués sur une base hebdomadaire/mensuelle pour les iMBR HF.

Le nettoyage physique est 1) généralement rapide, 2) ne nécessite aucun produit chimique, 3) ne génère aucun déchet chimique et 4) est moins susceptible de dégrader la membrane. Cependant, un nettoyage chimique est toujours nécessaire à certains endroits car il reste une résistance résiduelle qui peut être définie comme un « encrassement irrécupérable ». qui peut s'accumuler avec le temps et diminuer la durée de vie de la membrane.

Le nettoyage chimique dont le but est de récupérer la perméabilité nécessite des concentrations de réactifs plus élevées et des temps de contact plus longs.

Ni le nettoyage physique de routine ni le nettoyage chimique ne peuvent lutter contre le colmatage, qui nécessite une intervention manuelle (retrait de la membrane immergée des réservoirs) pour éliminer le matériau aggloméré.  

 

 Fig.7, Procédures de nettoyage physique et chimique de nettoyage de la membrane MBR