filtration membrane boues prix de l'Astee
A
Études
Assainissement
TSM 5 2020 - Page(s) 47-57

Limitation du colmatage dans un bioréacteur à membranes à l’échelle semi-industrielle : modélisation et caractérisation de l’hydrodynamique

Fouling mitigation in a semi-industrial membrane bioreactor: modelling and hydrodynamic characterization

Résumé

Les bioréacteurs à membranes se sont largement développés ces dernières années en assainissement des eaux résiduaires urbaines. Malgré les avantages du procédé, le colmatage des membranes engendre des contraintes économiques liées aux coûts énergétiques et au remplacement prématuré des membranes. Différentes stratégies de limitation du colmatage sont mises en place, dont l’aération séquencée des membranes à l’aide de grosses bulles. Cependant, les mécanismes d’action de cette aération et l’hydrodynamique des réacteurs restent relativement méconnus, en particulier à l’échelle industrielle et en présence de boues. Un pilote semi-industriel de filtration membranaire a été conçu et installé sur l’unité de traitement des jus de Seine Aval. Ce pilote a permis d’étudier l’impact de l’aération sur les performances de filtration en couplant une analyse statistique (systèmes d’inférence floue) et une caractérisation de l’hydrodynamique du réacteur (tomographie de résistivité électrique). Des chemins préférentiels de passage des bulles ont été observés à faible débit d’air et forte concentration en matières en suspension à l’aide de la tomographie de résistivité électrique. Ces observations fournissent des éléments d’explication aux résultats de l’arbre de décision flou focalisé sur l’analyse de l’impact du débit d’air sur la dérive journalière de perméabilité. La concentration en matières en suspension des boues et la différence de demande chimique en oxygène entre le surnageant des boues et le perméat s’avèrent être les facteurs les plus impactants pour les conditions opératoires testées. Ils traduisent l’efficacité de l’aération, que ce soit en matière de répartition du champ de bulles et/ou de relargage d’éléments colmatants. Ces résultats invitent à considérer la régulation de l’aération en fonction des propriétés des boues dans les procédés industriels.

Abstract

Membrane bioreactors (MBRs) are widely used in the wastewater treatment sector. In spite of many benefits of MBRs, the fouling of their membranes leads to important maintenance and energy costs. Several strategies have been industrially developed to enhance MBR productivity, including coarse bubble sequenced aeration for fouling mitigation. However, more research is needed to characterize hydrodynamics in MBRs filled with activated sludge at industrial scale. A semi-industrial reactor was designed, equipped with membranes and fed with activated sludge from one of the reactors of the Seine Aval (Siaap) wastewater treatment plant. This reactor was used to study the impact of aeration strategies on filtration performance by coupling statistical analysis (fuzzy inference systems) and hydrodynamic characterization (electrical resistivity tomography, ERT). Preferential flow paths have been observed at high mixed liquor suspended solids concentration and low air flow rates with ERT measurements. These observations give explanations for the obtained decision tree focused on the impact of air flow rate on the daily permeability evolution. The suspended solids concentration and chemical oxygen demand difference between supernatant and permeate turn out to have a major impact for the studied operating conditions. They influence the aeration efficiency on fouling mitigation, due to the heterogeneity of aeration or the release of fouling materials. These results reinforce the interest in linking aeration parameters to sludge properties, suggesting to consider control strategies for these operating parameters at industrial scale.

Mots clés : eaux usées, bioréacteurs à membranes, membrane immergée, aération, hydrodynamique, tomographie de résistivité électrique, logique floue
Keywords : wastewater, membrane bioreactor, submerged membrane, aeration, hydrodynamics, electrical resistivity tomography, fuzzy logic
https://doi.org/10.36904/tsm/202005047

1,2 Université Paris-Saclay – Inrae (Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement), Prose (Procédés biotechnologiques au service de l’environnement) – Antony
3,7 Inrae – UR Reversaal – Villeurbanne
4 Siaap (Syndicat interdépartemental pour l’assainissement de l’agglomération parisienne) – Direction Innovation Environnement – Colombe
5,6 Laboratoire de génie chimique – Université de Toulouse – CNRS, INPT, UPS – Toulouse

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