Les bioréacteurs à membranes (BRM) combinent le traitement biologique traditionnel des eaux usées et la technologie membranaire. La biomasse est séparée de l'eau traitée à l'aide de membranes (par ultra ou microfiltration). En retenant la biomasse, les particules et les bactéries, celles-ci améliorent considérablement la qualité des eaux rejetées par rapport aux techniques conventionnelles biologiques.
La combinaison de la technologie membranaire avec le traitement biologique des eaux usées permet une augmentation de la concentration de la biomasse dans le bassin d’activation. Par conséquent, il est possible d’augmenter la capacité d'une station d’épuration existante, ou de réduire la taille d’une nouvelle implantation. L'absence totale de particules solides dans le perméat du BRM rend obsolète la phase de sédimentation (d’où un gain de place supplémentaire) et permet le passage direct aux autres étapes de traitement, telles que osmose inverse, nanofiltration, UV, ozonation.
Un nettoyage toujours indispensable
Les modules BIO-CEL, produits par Microdyn-Nadir à Wiesbaden en Allemagne et distribués par Alting en France, combinent les avantages des membranes planes et des modules à fibres creuses. Insensible
[Photo : Module de pilotage BIO-CEL BC10.]
Module de pilotage BIO-CEL BC10.
Au pelotonnage et à la sédimentation, ce module compact (faible encombrement pour une grande surface membranaire) a été développé sur la base de membranes planes qui supportent le rétro-lavage. Un simple prétraitement du flux d’alimentation est suffisant, augmentant ainsi la durée de fonctionnement entre deux cycles. L’utilisation d’agent chimique reste néanmoins indispensable pour des lavages plus intensifs.
Le nettoyage d’un module membranaire dans un BRM consiste à enlever les dépôts qui se forment à la surface de la membrane (fouling), réduisant ainsi sa perméabilité. On distingue deux types de colmatage :
1. Les colmatages minéraux, qui consistent en des dépôts de carbonate de calcium ou de sel de fer. Ceux-ci peuvent être éliminés à l'aide d’acides organiques (acide citrique, formique ou acétique). Ces acides ne présentent pas d’incompatibilité ni environnementale, ni biologique dans les BRM, car ils sont naturellement désagrégés par la population bactérienne présente dans le BRM.
2. Les colmatages biologiques, qui consistent en des dépôts de matières organiques, également appelés biofilm. Celui-ci est éliminé à l’aide d’oxydants tels que le peroxyde d’hydrogène ou l’hypochlorite de sodium. Le chlore s’est imposé comme une référence dans l’élimination du colmatage biologique. Malheureusement, les concentrations auxquelles il est utilisé (jusqu’à 2000 mg/l dans certains cas) entraînent la formation de grandes quantités de composés organo-halogénés adsorbables (AOX), classifiés comme dangereux pour l’environnement. Cette phase de nettoyage au chlore constitue l’une des rares contraintes du BRM classique.
Un procédé sans produits chimiques
Une étude a été menée afin de vérifier la possibilité de nettoyer un module BIO-CEL à l’aide d’un procédé excluant des produits chimiques, et ce, dans la cuve d’activation. Ce procédé ne devait pas influencer la perméabilité de la membrane. D’autres tests avaient déjà démontré que les modules pouvaient fonctionner pendant plus d'un an sans nettoyage intensif (retrait du module et immersion dans un bain de produit chimique). En effet, un rétro-lavage chimique dans la cuve d’activation est suffisant. Néanmoins, et malgré ce rétro-lavage chimique, la perméabilité décline tôt ou tard, rendant indispensable un nettoyage intensif.
L’idée de départ était de prouver qu'il était possible d’éviter la formation de nouveaux dépôts et d’éliminer de façon continue des dépôts déjà existants à l’aide de moyens mécaniques. Le cahier des charges adopté pour les granulés en matière plastique mis en œuvre était le suivant :
1. Les granulés doivent remonter le long des poches membranaires, à l’aide de l’aération du module afin de produire une « action mécanique nettoyante » de surface.
2. La densité des granulés devait être assez élevée pour qu’ils sédimentent à l’extérieur du module tout en étant suffisamment basse pour être à nouveau entraînés à l'intérieur du module par la dynamique induite par l’aération.
Test sur l’action des granulés
Deux modules BIO-CEL de 10 m² de surface membranaire ont été mis en place dans deux cuves de filtration d’une unité pilote dans des conditions expérimentales identiques. Le premier module, considéré comme référence, fonctionna de façon conventionnelle dans un milieu activé sans granulés. Le deuxième module, quant à lui, a été amené à traiter un mélange de boue activée et de granulés (BIO-CEL –
[Photo : Suivi de l’évolution de la perméabilité de 2 modules (module de référence et module « MCP »).]
MCP = Mechanical Cleaning Process).
Les paramètres pour les deux modules étaient réglés à un flux de 15 l/m²/h sur une durée de fonctionnement de 3 mois. Après environ 70 jours de fonctionnement, on observe une baisse d’à peu près 40 % de la perméabilité du module de référence. Le module MCP, quant à lui, ne montre aucune baisse de perméabilité. La perméabilité du module de référence a été maintenue constante à l'aide d'un lavage intermédiaire (rétro-lavage avec NaOCl).
Lors de la phase suivante, le flux du module MCP a été amené à 40 l/m²/h, entraînant à terme une réduction de la perméabilité. Le flux a finalement été ramené à 30 l/m²/h pendant plusieurs semaines. Dans le module MCP, les granulés ont eu une action nettoyante tout au long du test (plus de 500 jours). Les résultats du test pour les deux modules sont comparés dans le graphique ci-dessus. Par la suite, des granulés ont été introduits dans la cuve contenant le module de référence. Après 7 jours, la perméabilité originelle du module a été restaurée. La preuve est ainsi faite que l’action nettoyante des granulés est effective, même lors d'une mise en œuvre a posteriori.
[Photo : BC400 – plus grand module de la gamme BIO-CEL (400 m²).]
Un flux constant
L’étude a démontré qu’un nettoyage mécanique d’un module BIO-CEL est efficace. L’utilisation du système BIO-CEL - MCP garantit la constance de la perméabilité tout en augmentant le flux hydraulique. Le MCP peut également être mis en œuvre pour le nettoyage de surface d’une membrane déjà colmatée.
Ce procédé de nettoyage améliore la compatibilité environnementale des BRM en éliminant le problème des AOX. Il permet également l'élaboration de stations de traitement plus compactes.
[Publicité : GERRIS]