Une nouvelle génération de procédés, les BioRéacteurs à Membrane (BRM), combinant les techniques séparatives à membranes et les réacteurs biologiques, est présentée. Cette technologie offre de nombreux avantages et en particulier une excellente qualité des effluents traités, une très bonne fiabilité, une grande compacité et une faible production de boues. L'utilisation de membranes d'ultrafiltration assure une séparation parfaite de la biomasse et de l'eau traitée et donc une désinfection de l'effluent. Plusieurs applications des BRM dans des domaines aussi variés que le traitement et le recyclage des eaux résiduaires urbaines et industrielles, le traitement des lixiviats de décharge et la production d'eau potable sont décrites.
Plusieurs applications des BRM dans des domaines aussi variés que le traitement et le recyclage des eaux résiduaires urbaines et industrielles, le traitement des lixiviats de décharge et la production d’eau potable sont décrites.
Les procédés de traitement biologique sont actuellement utilisés dans de nombreux domaines s’étendant de l’épuration des eaux usées urbaines et industrielles à la production d’eau potable.
Le premier procédé de traitement biologique, élaboré par l’ingénieur anglais Simpson pour l’alimentation en eau potable de la ville de Londres en 1829, a été le filtre lent submergé (filtre à sable) [1]. En France il fallut attendre 1890 pour voir la première installation de ce genre à Libourne, puis deux ans plus tard à Paris [1]. Les Anglais, toujours eux, développèrent dans les années 1880 les premiers traitements biologiques pour l’épuration des eaux usées, les lits bactériens, puis au début du XXᵉ siècle le procédé dit à « boues activées », qui équipe encore aujourd’hui la majorité des stations d’épuration à travers le monde [2].
Tous ces procédés biologiques sont basés sur la capacité des micro-organismes d’oxyder la matière organique (DCO) et minérale (NH₄, Fe²⁺…) d’une part (donneur d’électrons), et à réduire les molécules d’O₂, NO₃, SO₄ et CO₂ d’autre part (accepteur d’électrons). L’efficacité de ces procédés dépend de deux principaux paramètres, la concentration en biomasse dans le réacteur et les constantes cinétiques spécifiques des micro-organismes présents. L’optimisation des procédés d’épuration biologique a donc consisté depuis une centaine d’années à augmenter la quantité de ces micro-organismes dans les bioréacteurs, soit grâce à une séparation solide-liquide puis à une recirculation de la biomasse (boues activées), soit grâce au développement de réacteurs dits à « cultures fixées » dans lesquels les micro-organismes sont fixés sur un support, lui-même immobile (lit fixe) ou mobile (lit fluidisé ou turbulent).
Plus récemment, une nouvelle génération de procédés combinant les techniques séparatives à membranes et les réacteurs biologiques a été proposée : les bioréacteurs à membrane ou BRM [3-5]. Cette technologie offre de nombreux avantages et, en particulier, une excellente qualité des effluents traités, une très bonne fiabilité, une grande compacité, et une faible production de boues.
Grâce à son avance technologique dans le domaine des membranes, le groupe Lyonnaise des Eaux-Dumez et son Centre de Recherche (CIRSEE) ont imaginé et développé depuis quelques années plusieurs applications des BRM dans des domaines aussi variés que le traitement et le recyclage des eaux résiduaires urbaines et industrielles et la
Principe et avantages du procédé
Le bioréacteur à membrane consiste en l'association d’un réacteur biologique et d'une membrane d’ultra ou de microfiltration. La figure 1 décrit le principe de la première génération de BRM, déjà développée au stade industriel, et dans laquelle la membrane située à l’extérieur du bioréacteur joue le rôle d’une barrière absolue permettant de recycler l'intégralité de la biomasse. Il est à noter que cette circulation de la biomasse distingue le bioréacteur à membrane d’autres procédés de traitement dans lesquels la filtration située après le réacteur biologique ne constitue qu'un traitement d’affinage (filtration tertiaire).
Dans le BRM (figure 1) l'eau brute est introduite dans le bioréacteur (a) où elle est mise en contact avec la biomasse ; le mélange est pompé (b) vers la membrane. Le perméat est collecté (d) et envoyé dans la bâche d’eau traitée (e) alors que la biomasse est intégralement recyclée dans le bioréacteur (g). Le colmatage est contrôlé en appliquant des forces de cisaillement élevées à la surface des membranes, par l’intermédiaire de la pompe de circulation (c). Le décolmatage est régulièrement assuré, soit par un rétrolavage (f), soit par un lavage chimique.
L'un des principaux avantages du BRM se situe au niveau de la qualité de l'eau traitée, l'utilisation de membranes d’ultra ou de microfiltration permettant de retenir l'intégralité des matières en suspension et donc de produire un effluent d’excellente qualité, totalement désinfecté. À cet égard le BRM est le seul procédé actuel qui puisse réaliser à la fois un traitement biologique et une désinfection de l’effluent.
Dans ce nouveau procédé la parfaite dissociation entre le temps de séjour hydraulique (TSH) et celui de la biomasse (TSB) donne une maîtrise et un contrôle optimum des réactions biologiques, une meilleure fiabilité et une grande souplesse d'utilisation, notamment vis-à-vis des variations de charges hydrauliques du système. Le contrôle parfait de l’âge des boues est particulièrement important pour favoriser le développement des micro-organismes à faible taux de croissance, comme les bactéries nitrifiantes.
Contrairement aux clarificateurs des procédés à boues activées, les membranes d’ultra ou microfiltration autorisent de très fortes concentrations en biomasse, et par conséquent des charges volumiques importantes qui se traduisent par une grande compacité du système. La filtration par membrane permet également de retenir les molécules solubles de haut poids moléculaire et ainsi d’augmenter leur temps de séjour et, par suite, leur biodégradation éventuelle dans le réacteur biologique.
Plusieurs études ont montré que l’utilisation de BRM conduit à de faibles productions de boues. Si cet avantage peut être partiellement expliqué par l’âge élevé des boues souvent utilisées dans ce procédé, il n’en reste pas moins qu’au niveau théorique les réactions biologiques dans un espace parfaitement confiné comme le BRM sont encore mal comprises et en particulier les phénomènes d’hydrolyse qui jouent un rôle primordial dans la dégradation des matières en suspension.
Les BRM réalisés à l’échelle industrielle pour le traitement des eaux résiduaires utilisent des membranes organiques [4] ou céramiques [6] avec des configurations planes [4], tubulaires [7] ou à fibres creuses [8-9]. La concentration élevée en biomasse de ces systèmes nécessite des vitesses tangentielles importantes (typiquement entre 1,5 et 2 m/s) afin d’éviter le colmatage rapide des membranes. Suivant les applications envisagées, des flores bactériennes aérobies [3, 4, 6], anoxie [8-9] ou anaérobie [6, 10] sont mises en œuvre dans des bioréacteurs de type « complètement mélangé ».
Jusqu’à présent les applications industrielles du procédé concernent des domaines permettant une certaine valeur ajoutée, comme le recyclage (eaux industrielles ou immeuble) ou la production d’eau potable. La filtration de solutions biologiques concentrées entraîne des consommations énergétiques élevées qui pour l’instant freinent le développement des BRM dans d’autres applications, comme le traitement des eaux résiduaires urbaines. De nombreuses recherches sont entreprises à travers le monde afin de réduire les coûts de fonctionnement principalement liés à la consommation électrique et les coûts d’investissement liés au couple « coût de la membrane-flux de perméat ». La deuxième génération qui sera issue de ces recherches devrait combiner plus intimement des membranes plus performantes et des bioréacteurs plus compacts.
Applications
Le BRM, seul ou couplé à d’autres procédés d'affinage, tel qu'il est décrit sur la figure 2, permet le traitement de différentes qualités d’effluents. Le confinement de la biomasse dans le BRM permet d’éliminer la totalité de l’azote, de la DBO5 et des MES présents dans l'eau à traiter. Suivant la qualité des effluents bruts et l'utilisation de l'eau traitée, plusieurs traitements d’affinage peuvent être envisagés, comme le montre la figure 2.
Le CIRSEE a imaginé et élaboré plusieurs couplages afin de répondre à des applications aussi variées que : [1] la production d’eau potable à partir de ressources polluées en nitrates et en pesticides [2], le traitement et le recyclage d’effluents industriels et urbains, [3] le recyclage en immeuble, ou complexes hôteliers et sportifs d’une partie des eaux usées et [4] le traitement d’effluents fortement chargés en sels et matières organiques comme les lixiviats de centre d’enfouissement technique (CET).
Production d’eau potable, dénitrification
L'utilisation intensive d’engrais azotés en agriculture a conduit à une augmentation importante de la teneur en nitrate dans les ressources en eau, et particulièrement dans les eaux souterraines.
Parmi les procédés d’élimination des nitrates utilisés pour la production d’eau potable on peut distinguer deux grandes catégories : biologiques et physicochimiques. Les procédés biologiques sont de plus en plus utilisés car ils assurent la transformation complète des nitrates en un gaz inerte, l’azote, alors que les procédés physicochimiques tels que l’échange d’ion ou l’électrodialyse ne conduisent qu’à la concentration des nitrates dans des saumures qui posent à leur tour de sérieux problèmes pour l’environnement. La dénitrification biologique est assurée par des bactéries hétérotrophes ou autotrophes selon la nature du donneur d’électrons, respectivement organique ou minéral.
Les avantages déjà mentionnés des BRM et en particulier l’excellente qualité de l’effluent et la désinfection parfaite
due à la filtration finale sur membranes d'ultrafiltration prennent une dimension supérieure quand ils s'appliquent à la production d'eau potable. En effet cette technologie va permettre de combiner les avantages de l'élimination biologique des nitrates avec une grande sécurité au niveau de la qualité bactériologique des eaux.
Le CIRSEE a mis au point à l’échelle du laboratoire, puis semi-industrielle, un BRM pour la dénitrification biologique hétérotrophe. La figure 3 présente les résultats obtenus en laboratoire avec un bioréacteur de 20 litres et une membrane d'ultrafiltration organique (Aquasource). L'ajustement du rapport C/N autour de 1,2 permet de maintenir une concentration en carbone organique biodégradable dans l'eau traitée inférieure à la limite de détection et une concentration en nitrite largement inférieure à 0,1 mg/l. La figure 3 démontre la très grande stabilité du BRM malgré les variations importantes de la charge volumique pendant la durée de l'étude, variant de 2,7 à 6,2 kg NO₃/m³/j [8-9]. L’ajout de charbon actif en poudre dans le bioréacteur pour éliminer des
composés xénobiotiques souvent présents en même temps que les nitrates est en cours d'étude. Les premiers résultats montrent qu'il est possible d’éliminer conjointement les xénobiotiques par adsorption et les nitrates par procédés biologiques. À la suite de ces expériences menées à l'échelle d'un pilote, un projet d'usine d'une capacité de 50 m³/h, actuellement à l'étude, débouchera sur une réalisation industrielle en 1994.
Traitement et recyclage d’eaux résiduaires industrielles et urbaines
La rareté des ressources en eau dans certaines régions, la nécessité de désinfecter les effluents urbains se rejetant dans des zones très sensibles et la volonté affichée par un certain nombre d'industriels de recycler leur eau sont autant de facteurs qui devraient permettre le développement dans les années à venir des BRM pour réaliser le traitement et le recyclage des eaux résiduaires urbaines et industrielles.
À cet égard l'action menée par cet industriel du nord de la France est exemplaire. Il cherchait une solution pour traiter ses eaux résiduaires et en recycler à terme au moins 30 %. Or, depuis des années ces effluents étaient traités dans la station d'épuration municipale puis rejetés dans la rivière voisine. À sa demande, et suite à une étude pilote, le CIRSEE en collaboration avec Degrémont a imaginé et dimensionné une station de traitement et de recyclage d'une capacité d'environ 200 m³/j. Cette usine, construite par Degrémont, est basée sur le couplage d'un traitement biologique aérobie et d'une filtration sur membranes céramiques de microfiltration. La figure 4 présente les résultats obtenus sur un BRM pilote équipé d'une cuve de 2 m³ alimentée avec effluent brut et d'une membrane céramique (1 m²). Deux conclusions sont à retenir : [1] une excellente élimination de la DCO (> 96 %), et [2] une très bonne stabilité du procédé, malgré les variations importantes de charge.
Plusieurs autres domaines d’applications des BRM sont en cours d'étude, notamment pour assurer le traitement
anaérobie des eaux résiduaires industrielles et celui des eaux résiduaires urbaines en aérobie.
Un aspect particulier du recyclage des eaux usées urbaines concerne le recyclage en immeuble. Le recyclage et la réutilisation des eaux usées d’immeuble est probablement la première application au niveau industriel des BRM avec plusieurs dizaines d’installations réalisées à travers le monde et notamment au Japon grâce au Système UBIS développé par Rhône-Poulenc [4] et aux États-Unis avec le Système Cycle-Let [11]. Ces deux systèmes mettent en œuvre un réacteur biologique aérobie, du type boues activées, avec des membranes organiques. Ils permettent d’éliminer les matières organiques et l’ammoniaque et de recycler les eaux ainsi traitées dans les installations sanitaires.
En collaboration avec les sociétés du bâtiment du Groupe Lyonnaise des Eaux-Dumez, le CIRSEE étudie une approche globale de la gestion des eaux au niveau d’un immeuble ou d’un quartier. Un des éléments-clefs de ce projet est l’élaboration d’un BRM adapté à la nature particulière des eaux à traiter et aux contraintes économiques de cette application.
Traitement de lixiviat de CET
Les centres d’enfouissement technique (CET) produisent des effluents très concentrés à la fois en sels minéraux, principalement en Na, K, Cl et F, mais aussi en matières organiques plus ou moins biodégradables et dans certains cas en ammoniaque. Le cas du CET d’Arnouville-les-Mantes est tout à fait représentatif de cette situation, avec environ 2000 mg/l de DCO, 1500 mg/l d’ammoniaque et enfin 5000 mg/l de sels minéraux [12].
Une étude pilote a permis de mettre au point un procédé de traitement combinant un BRM et une unité d’osmose inverse. Le BRM élimine plus de 95 % de la DBO et réduit la teneur en azote ammoniacal de 1500 à moins de 5 mg/l. Il constitue également un excellent prétraitement avant le passage dans l’unité d’osmose inverse, nécessaire pour l’élimination des sels minéraux. S’appuyant sur les résultats de cette étude, la société DEXEL, qui gère le CET d’Arnouville, a commandé une usine traitant 10 m³/j (figure 5). Cette unité, opérationnelle au premier trimestre 93, produira un effluent de qualité NGL, qui pourra être rejeté dans un affluent de la rivière Vaucouleurs.
D’autres projets combinant BRM et OI sont à l’étude, et plusieurs CET du groupe SITA en seront équipés d’ici la fin de l’année 1993.
Conclusion
Les progrès récents des techniques séparatives à membrane ont permis le développement de BRM, qui forment désormais une nouvelle génération de procédés biologiques. Cette technologie innovante, plus fiable et plus compacte, permet non seulement d’obtenir un effluent d’excellente qualité exempt de toute matière en suspension et parfaitement désinfecté mais aussi d’augmenter les charges volumiques traitées.
Le traitement et le recyclage des eaux usées industrielles et la production d’eau potable figurent parmi les premières applications des BRM. Les nombreux travaux de recherche menés à travers le monde devraient permettre d’élargir le champ d’application de cette technologie à de nombreux autres domaines, et particulièrement au traitement et au recyclage des eaux usées urbaines.
BIBLIOGRAPHIE
[1] IMBEAUX Ed., « Qualités de l’eau et moyens de correction », Dunod, Paris, 1935.
[2] BEBIN J., « L’épuration biologique des eaux », La Recherche, 195, pp. 22-28, 1988.
[3] SMITH C., D. DI GREGORIO and R. TALCOTT, « The use of ultrafiltration Membranes for Activated Sludge Separation », 24th Annual Purdue Industrial Waste Conference, pp. 1300-1310, 1969.
[4] LAMBERT S., « L’ultrafiltration : application aux eaux résiduaires industrielles et au recyclage des eaux d’immeubles », L’EAU, L’INDUSTRIE, LES NUISANCES, 74, pp. 34-38, 1983.
[5] HUYARD A., E. TROUVE and J. MANEM, « Recent advances on bioreactors applications to water and wastewater treatment », Proceeding of the Euromembrane Interfiltra Conference, Paris, 6, 21, pp. 189-193, 1992.
[6] KIMURA S., « Japan’s aqua renaissance 90 project », Water Sci. Tech., 23, pp. 1573-1582.
[7] HARE R.W. et al., « Membrane enhanced biological treatment of oily wastewater », WPCF Conference, Washington, 1990.
[8] CHANG J., J. MANEM and A. BEAUBIEN, « Membrane Bioprocesses for the Denitrification of Drinking Water Supplies », accepté pour publication dans Journal of Membrane Science, 1993.
[9] CHANG J., M. ERB et J. MANEM, « Dénitrification biologique des eaux potables par un bioréacteur à membrane », 10° Journées Informations Eaux, Poitiers 23-25 septembre 1992, Conf. 16, 1991.
[10] LI A., D. KOTHARI et J.J. CORRADO, « Application of membrane anaerobic reactor system for the treatment of industrial wastewater », 39th Annual Purdue Ind Waste Conf., pp. 627-636, 1985.
[11] Thetford Inc. – Cycle-Let technical notice.
[12] URBAIN V., A. ATTAL, J. MANEM, P. COURANT and D. AMAR, « Membrane Bioreactor: An innovative process for leachate treatment », IV International Landfill Symposium, S. Margherita di Pula, Italy, 11-15 october.
