Aspects généraux d'un bioréacteur à membrane (MBR)

Questions techniques

1. Quelle est la taille typique des pores d'une membrane MBR ?

La taille dépendra de la composition de l'eau à traiter. Pour séparer les solides en suspension, les grosses molécules et les bactéries, on utilise des membranes de microfiltration (MF) dont la taille est généralement comprise entre 0,1 et 0,4 μm.

Lorsqu'il s'agit de filtrer des solides en suspension de plus petite taille, tels que les colloïdes, les molécules organiques, les bactéries et certains virus, on utilise des membranes d'ultrafiltration (UF) dont la taille des pores est comprise entre environ 0,01 et 0,1 μm.

2 . Comment un système MBR élimine-t-il les contaminants présents dans les eaux usées ?

Un bioréacteur à membranes combine deux processus principaux : le traitement biologique, dans lequel les bactéries éliminent les matières organiques, et la filtration par membranes, qui permet de séparer les boues en excès et de recycler les boues activées dans le réacteur biologique. Ce processus permet d'obtenir une eau traitée de haute qualité, qui peut dans de nombreux cas être réutilisée.

En résumé, le processus biologique dégrade les polluants et les membranes séparent l'eau propre des solides et des micro-organismes.

3. Quelles sont les pressions de fonctionnement des systèmes MBR ?

Pour les membranes immergées, une pression transmembranaire (TMP) comprise entre 0,1 et 0,5 bar suffit. Elle est obtenue par aspiration à l'aide de pompes à vide.

Dans le cas des membranes externes, la pression à appliquer est comprise entre 0,5 et 2 bars et le pompage s'effectue au niveau des membranes logées dans des modules externes.

4. Comment prévenir l'encrassement des membranes dans un MBR ?

Prévenir l'encrassement (fouling) des membranes dans un système MBR est essentiel pour maintenir son efficacité et prolonger sa durée de vie. Plusieurs techniques sont utilisées, qui peuvent être combinées entre elles :

• Aération, réalisée par un bouillonnement qui génère une turbulence favorisant le nettoyage continu des membranes.
• Nettoyages périodiques qui peuvent être physiques, par rétrolavage (backwash), qui inverse le flux pour entraîner les salissures déposées, ou avec des solutions chimiques spécifiques telles que l'hypochlorite ou l'acide citrique (entretien CIP, ou cleaning in place). Des nettoyages énergiques sont également effectués avec d'autres réactifs plus agressifs pour la récupération des membranes lorsque l'encrassement est important.

Nettoyage chimique des membranes MF et UF dans le traitement des eaux | PDF | Eau | Aluminium

5. Qu'est-ce que le temps de rétention des boues (SRT) dans un système MBR ?

Le SRT est le temps moyen pendant lequel les boues restent dans le système biologique avant d'être extraites.

Le SRT permet de contrôler la composition de la biomasse, favorisant la croissance de micro-organismes à croissance lente tels que les nitrifiants, ce qui permet d'obtenir des colonies bactériennes plus efficaces, de réduire la production de boues, d'améliorer le rendement dans l'élimination des polluants complexes et de stabiliser davantage le processus.

Les valeurs SRT typiques dans un système MBR sont d'environ 20 jours pour la nitrification-dénitrification et supérieures pour minimiser les boues résiduelles.

6. Comment détecter les fuites de solides en suspension dans les systèmes de filtration MBR ?

Le système le plus simple consiste à observer si l'échantillon d'eau filtrée présente une coloration ou une turbidité anormale. Cependant, l'utilisation d'un turbidimètre en ligne ou une analyse en laboratoire nous permet d'effectuer un contrôle sûr et efficace.

Pour détecter la membrane ou l'élément à l'origine de la fuite, nous utilisons une méthode appelée « test d'intégrité », qui consiste en un test de pression ou d'air (point de bulle). Dans ce test, de l'air ou du gaz sous pression est appliqué et on observe s'il y a un passage vers le côté du perméat. Si le débit de gaz augmente, cela indique une fuite dans la membrane. S'il y a plusieurs cartouches de membranes, elles doivent être isolées afin de vérifier laquelle est endommagée.

Test d'intégrité du point de bulle : qu'est-ce que c'est et à quoi sert-il ? – Brother Filtration

7. Comment détecter que les membranes d'un bioréacteur à membranes sont encrassées ?

L'encrassement des membranes dans un système MBR est généralement détecté par une baisse du débit de filtration tout en maintenant la même pression de fonctionnement, ou bien parce qu'il est nécessaire d'augmenter la pression pour maintenir le débit souhaité. De plus, il est courant d'observer une augmentation de la concentration de solides en suspension dans le perméat lorsque l'encrassement se produit.

Ces paramètres sont contrôlés par des systèmes de mesure de pression tels que des transmetteurs de pression, qui déclenchent une alarme lorsqu'une certaine pression différentielle entre l'entrée et la sortie est dépassée. Le débitmètre de filtration peut également être équipé d'une alarme si le débit diminue. Le turbidimètre de filtration nous indique si la valeur normale de turbidité a été dépassée.

8. Quelle concentration de solides en suspension (MLSS) est utilisée dans un processus MBR ?

Les valeurs normales de concentration de MLSS dans un MBR se situent entre 8 et 12 g/l, et dans certains systèmes, elles peuvent atteindre 15 g/l, tandis que dans les systèmes à boues activées, elles se situent entre 2 et 4 g/l. Cela se traduit par un volume du réacteur biologique beaucoup plus faible et une concentration de boues extraites considérablement plus élevée.

9 Comment nettoyer les membranes immergées ?

Si les membranes sont immergées dans des modules annexés au réacteur biologique, l'installation de filtration est arrêtée, les modules sont vidés et des solutions chimiques sont mises en circulation dans le module lui-même. Si les membranes se trouvent à l'intérieur du réacteur biologique, elles doivent être retirées et immergées dans des réservoirs de nettoyage.

Le nettoyage visant à éliminer les incrustations et les matières organiques accumulées s'effectue à l'aide de solutions d'hypochlorite, d'acide citrique ou de produits spécialisés.

10. Quel type de prétraitement est recommandé avant d'alimenter un réacteur MBR ?

Avant d'introduire l'effluent dans le bioréacteur à membranes, il est conseillé de procéder à un tamisage à un niveau de 2 à 3 mm et, si nécessaire, à un dessablage. Il est également important qu'il n'y ait pas d'huiles, de graisses ou d'autres produits susceptibles d'encrasser les membranes.

En ce qui concerne la concentration en sels (_CaCO3, CaSO4, SiO2, etc.), il convient de tenir compte des limites de saturation de ces sels (LSI, PS) afin d'éviter toute précipitation sur les membranes. Celle-ci peut être provoquée par des variations du pH, de la température ou par l'évaporation du liquide au cours du processus.

Résolution des problèmes

1. Pourquoi mon système MBR présente-t-il un encrassement des membranes ?

L'encrassement ou le fouling des membranes d'un MBR peut être physique, chimique ou biologique. Il se produit lorsque des particules, des micro-organismes ou des substances chimiques adhèrent ou se déposent sur les membranes, réduisant ainsi leur surface active, ce qui se traduit par une diminution de la perméabilité.

À mesure que la surface affectée augmente, le reste doit fonctionner dans des conditions de stress, ce qui accélère l'encrassement. À son tour, la saleté adhère fortement aux couches les plus profondes et il est très difficile de l'éliminer, même avec un nettoyage énergique (encrassement irréversible ).

2. Comment résoudre les problèmes d'odeurs dans les MBR ?

Pour éliminer ou contrôler les odeurs, les mesures suivantes sont prises :

• Fonctionnement dans des conditions aérobies correctes et contrôle de la charge de boues afin d'éviter la formation de gaz tels que_SH2 ou_NH3.
• Couverture par des coupoles ou des capots, tant pour le réacteur biologique que pour le traitement des boues.
• Systèmes de ventilation forcée qui acheminent l'air extrait vers des unités de traitement des gaz telles que : biofiltres, épurateurs (laveurs de gaz) ou lits remplis d'adsorbants tels que le charbon actif.

3. Qu'est-ce qui provoque une diminution du débit dans les membranes MBR ?

Une diminution du débit dans les membranes MBR est généralement liée à plusieurs facteurs qui affectent leur perméabilité. Les causes les plus courantes sont les suivantes :

• Encrassement des membranes (encrassement biologique, organique, inorganique ou colloïdal).
• Vieillissement ou détérioration des membranes.
• Flux ou turbulence d'aération insuffisant.
• Accumulation de boues.
• Un nettoyage chimique inadéquat ou peu fréquent laisse des résidus.
• Conditions de fonctionnement inadéquates (débit, pression, température, etc.).

Encrassement de la membrane MBR : analyse approfondie des causes, des impacts et des solutions – SPERTA MEMBRANE

4. Comment détecter les fuites dans les membranes d'un réacteur MBR ?

Les systèmes les plus couramment utilisés pour détecter une fuite dans les membranes d'un système MBR sont les suivants :

• Tests d'intégrité : test de pression ou de bulles et test de vide.
• Analyse microbiologique et des solides en suspension du perméat.
• Une augmentation de la turbidité ou du SDI du perméat peut indiquer une rupture des fibres ou des fissures.
• Inspection visuelle. S'il s'agit de membranes immergées, elles peuvent être retirées afin d'observer les ruptures ou fissures au niveau des modules ou de leurs raccords.

5. Pourquoi le rendement biologique de mon bioréacteur à membranes diminue-t-il ?

Les principales causes sont les suivantes :

• Lorsque l'effluent à traiter présente une teneur en DCO/DBO supérieure à celle prévue, la biomasse du réacteur biologique ne peut pas traiter correctement la charge organique, ce qui réduit l'efficacité de l'épuration.
• La présence de composés inhibiteurs ou toxiques peut affecter la biomasse active.
• L'encrassement des membranes MBR peut réduire la capacité de filtration et la recirculation des boues du système.
• Le déséquilibre nutritionnel dû à une carence en azote ou en phosphore empêche la biomasse de se développer correctement.
• Conditions de fonctionnement incorrectes (pH, pression, température, oxygénation HRT ou SRT incorrectes, etc.).

6. Comment réparer les fuites dans les membranes d'un MBR ?

Isolation :

• Dans les membranes à fibre creuse, une fois la fibre cassée localisée, celle-ci est scellée à l'aide de chaleur ou d'une résine spécifique, ou isolée à l'aide d'un bouchon spécial.
• Sur les modules plats, un patch ou une résine spéciale peut être appliqué sur la zone affectée.

Remplacement du module :

• Lorsque la fuite est irréparable, il est recommandé de remplacer le module complet.

CIP (nettoyage en place) :

• Parfois, un lavage chimique permet d'éliminer les fuites dues à un encrassement.

7. Comment concentrer les boues provenant d'un réacteur biologique à membranes ?

Les boues provenant d'un système MBR peuvent être concentrées à l'aide de différentes techniques, en fonction des objectifs du traitement et du type de gestion des boues requis. Voici quelques-unes des méthodes les plus courantes :

• Épaississeurs statiques de boues.
• Épaississement à l'aide de systèmes de flottation à air dissous, qui sont plus efficaces que les épaississeurs statiques.
• Séchage mécanique des boues (filtres-presses, décanteurs centrifuges, filtres à bande, tamis rotatifs, etc.).

Les systèmes statiques et mécaniques destinés à la déshydratation des boues utilisent généralement des réactifs coagulants et floculants afin d'améliorer leur rendement.

8 L'eau provenant d'un système MBR peut-elle être rendue potable ?

Bien qu'un bioréacteur à membranes produise un effluent de haute qualité, il n'élimine pas complètement les agents pathogènes, les virus ni les traces de contaminants chimiques (tels que les médicaments, les pesticides, etc.).

L'eau provenant d'un système MBR peut être rendue potable, mais elle doit passer par des étapes de traitement supplémentaires, telles que :

• Désinfection au_Cl2,_O3, UV, etc.
• Filtration par nanofiltration ou osmose inverse.
• Filtration / adsorption avec charbon actif.
• Ajustement du pH + reminéralisation.

Pour les débits élevés, il est également courant de réinjecter l'eau filtrée par un MBR dans un aquifère, où elle se mélange à l'eau naturelle (réutilisation indirecte de l'eau potable).

9. Que faire des effluents provenant du nettoyage des membranes d'un MBR ?

Ces rejets contiennent les produits chimiques utilisés pour nettoyer les membranes, tels que les acides, les alcalis, les agents chélateurs et les biocides. Ils ne peuvent donc pas être rejetés directement dans l'environnement sans traitement préalable.

La ligne à suivre serait :

• Caractérisation analytique des paramètres du rejet (pH, conductivité, SS, métaux, DCO, etc.).
• Traitement physico-chimique.
• Traitement biologique dans le même réacteur MBR. Certaines usines peuvent recycler une partie de ces rejets prétraités si cela n'affecte pas le processus biologique.
• Gestion externe lorsqu'il n'est pas possible de les recycler ou de les retraiter dans l'usine MBR (cas de nettoyage avec des agents très agressifs ou toxiques).
• Utilisation de réactifs peu agressifs pour effectuer les nettoyages et réutilisation éventuelle de ceux-ci pour d'autres lavages.

10. Que se passe-t-il si le pH d'un système MBR est déséquilibré ?

Des problèmes importants peuvent survenir, affectant à la fois le processus biologique et le fonctionnement des membranes :

• La biomasse du système biologique peut être endommagée si le pH descend en dessous de 6 ou dépasse 9, car cela peut entraîner la formation de boues, de mousse et de mauvaises odeurs en raison de l'inactivité des bactéries affectées. Cela entraîne une réduction du rendement de la purification.
• Des dommages peuvent également être causés aux membranes du MBR (dégradation chimique, réduction de la perméabilité, incrustations, ce qui réduit la durée de vie des membranes).

https://europemembrane.com/bioreactores-de-membrana-mbr/criterios-de-diseno-de-un-mbr/

Questions comparatives

1 . Comment un réacteur MBR se compare-t-il aux systèmes à boues activées ?

Il s'agit dans les deux cas de processus de dépuration biologique, mais ils présentent des différences :

• Le MBR combine un réacteur biologique (aérobie ou anaérobie) avec un système de filtration en aval à l'aide de membranes d'ultrafiltration ou de microfiltration, tandis qu'un système d'épuration biologique par boues activées utilise un système de clarification secondaire après le réacteur biologique aérobie.
• Par rapport au procédé à boues activées, le MBR occupe moins d'espace, car il peut fonctionner à des charges massiques plus élevées et ne nécessite pas de clarificateur secondaire.
• Filtration plus sûre et plus efficace : alors que les systèmes conventionnels à boues activées utilisent des processus de décantation ou, dans certains cas, de flottation (DAF), ces méthodes peuvent poser des problèmes si la partie biologique ne fonctionne pas correctement. Ce n'est pas le cas dans un système MBR, car les membranes garantissent que les solides restent toujours à l'intérieur du système.
• Élimination des contaminants et des micro-organismes : les systèmes MBR utilisent des membranes d'ultrafiltration, qui ont une capacité de filtration au niveau des microns. Cela signifie qu'ils peuvent éliminer pratiquement tous les contaminants.
• Sécurité accrue : le principal avantage d'un MBR est que, en cas de problème au niveau de la partie biologique, le système empêche systématiquement les solides de s'échapper dans l'effluent.

2 . Quelles sont les différences entre un MBR et l'osmose inverse (RO) ?

Il s'agit dans les deux cas de procédés de traitement de l'eau, mais alors qu'un réacteur MBR est destiné à éliminer les matières organiques par des procédés biologiques, puis à filtrer l'eau à l'aide de membranes afin d'éliminer une grande partie des contaminants en suspension, le procédé d'osmose inverse vise à obtenir une eau de grande pureté en séparant les sels dissous dans l'eau par effet de pression osmotique de la solution.

3. Le MBR est-il un système adapté aux stations d'épuration des eaux usées à petite échelle ?

Le MBR est un procédé qui permet de construire des équipements compacts et modulaires qui abritent le réacteur biologique et les ensembles de membranes.

Ces équipements sont assemblés et testés en atelier. Outre les composants électromécaniques, ils comprennent également un tableau de commande et d'alimentation garantissant le bon fonctionnement de l'installation.

Stations d'épuration décentralisées

4. Comment fonctionne le MBR en combinaison avec d'autres technologies telles que la désinfection par UV ?

Un équipement MBR est capable de séparer une grande partie de la DCO, mais des substances toxiques, des virus et des bactéries peuvent encore persister et doivent être éliminés. Si l'on souhaite désinfecter, différents systèmes sont utilisés, tels que la chloration, l'ozonisation et le rayonnement UV. Ce dernier procédé est le plus propre, car il n'utilise ni réactifs ni substances oxydantes. En fonction du degré d'élimination des micro-organismes souhaité, on utilise des équipements à charge élevée ou moyenne de rayonnement UV avec une efficacité supérieure à 99,9 %.

5. Quelles sont les différences de coûts entre un bioréacteur à membranes et un traitement conventionnel des eaux usées ?

En supposant que les deux procédés consomment des quantités similaires_d'O2 pour l'oxydation biologique de la matière organique (environ 1,5 à 2 kg_d'O2 / kg de DBO), le système MBR est plus coûteux à installer et à entretenir en raison des membranes UF, qui ont une consommation énergétique supplémentaire due à l'aération et au pompage, et une consommation supplémentaire de réactifs pour les nettoyages chimiques. Toutefois, un système MBR permet de réaliser des économies dans la gestion des boues en excès et, surtout, dans la réutilisation éventuelle de l'eau traitée en raison de sa haute qualité.

Réutilisation de l'eau traitée à l'aide de réacteurs (MBR).

6. En quoi les procédés MBR et MBBR diffèrent-ils ?

Alors qu'un MBR utilise un réacteur biologique suivi d'un ensemble de membranes filtrantes, un processus MBBR produit une épuration biologique en une ou plusieurs étapes à l'aide d'un système de réacteurs aérés chargés de matériau de remplissage (supports). Ces supports offrent une large surface pouvant être colonisée par les bactéries qui se nourrissent de la matière organique contenue dans l'effluent à traiter.

Un MBBR est plus efficace qu'un MBR en termes d'oxydation biologique, car les supports sont en mouvement constant, et limite l'excès de boues aux solides qui se détachent des supports. La consommation d'énergie, la maintenance et la mise en place sont moins importantes avec le MBBR, mais l'eau traitée est généralement de meilleure qualité avec le MBR.

7. Pourquoi un système MBR offre-t-il de meilleures performances que d'autres procédés biologiques ?

Un réacteur biologique à membranes offre un rendement supérieur à celui d'autres procédés biologiques, car il fonctionne avec des charges de biomasse 3 à 4 fois supérieures à la norme, mais la grande différence réside dans le remplacement d'un clarificateur secondaire par les membranes d'ultrafiltration du MBR, qui offrent une filtration de l'ordre de 0,1 µm, facilitant ainsi la séparation de la totalité des solides en suspension, d'une grande partie des colloïdes et des molécules de plus grande taille, ainsi que de la plupart des micro-organismes, tels que les bactéries et les virus, qui s'échappent avec l'effluent résultant du réacteur biologique.

8. Comment choisir le type de membrane filtrante le mieux adapté à un processus MBR ?

Les membranes d'un réacteur MBR dépendront du degré de filtration recherché : microfiltration (MF) de 0,1 à 0,4 µm, ou ultrafiltration (UF) de 0,01 à 0,1 µm.

D'autre part, et en fonction de l'application, il est possible d'utiliser des membranes immergées dans le bioréacteur, qui consomment moins d'énergie, mais ont également un débit par^m² plus faible, ou bien des membranes externes au réacteur. Ce type de membrane est plus résistant et permet un nettoyage plus efficace, mais son coût énergétique est plus élevé en raison du pompage.

Les membranes immergées sont généralement utilisées davantage dans les rejets urbains, tandis que les membranes externes sont plus courantes dans le traitement des effluents industriels.

9 Quand utilise-t-on le MBR en combinaison avec la flottation DAF ?

Il est courant d'utiliser la flottation à air dissous comme traitement primaire avant le bioréacteur à membranes, en particulier lorsqu'il y a des matières flottantes ou des résidus d'huiles et de graisses qui peuvent colmater les membranes UF.

Lorsque l'effluent l'exige, une coagulation/floculation sera nécessaire afin d'améliorer la séparation des matières colloïdales et des solides en suspension.

10. Quelles sont les différences entre un MBR et un FBR ?

Dans un MBR, la clarification secondaire est remplacée par une filtration membranaire (MF/UF), tandis que dans un FBR, la clarification secondaire est effectuée à l'aide d'un système DAF après le réacteur biologique. Le MBR permet de gagner de l'espace, d'améliorer le rendement de purification et la qualité de l'eau traitée, et, avec le FBR, la concentration des boues est plus élevée et l'installation est plus simple à entretenir.

Bioréacteurs à membrane compacts et modulaires

1. Comment fonctionne un système MBR compact ?

Un système MBR combine deux processus principaux :

1. Partie biologique. Elle se divise en deux zones : une zone anoxique dans laquelle aucun oxygène n'est introduit, permettant la dégradation des polluants sans présence d'air, et une zone aérobie, où l'oxygène est introduit par des souffleurs, favorisant l'activité bactérienne qui aide à la décomposition des polluants organiques présents dans l'eau.
2. Filtration physique à l'aide de membranes : dans la partie aérobie du système se trouvent les membranes immergées, qui assurent la filtration physique de l'eau. Cette étape garantit une grande qualité de l'effluent, en éliminant les solides et autres contaminants.

2. Quelles sont les principales applications des systèmes MBR compacts ?

Les principales applications des systèmes MBR compacts sont très variées, notamment en raison de leur capacité à s'adapter à différents besoins et emplacements. Voici quelques exemples clés :

1. Zones isolées : les systèmes MBR sont idéaux pour les endroits éloignés ou difficiles d'accès (zones rurales ou boisées).
2. Chantiers agricoles : dans les endroits où des systèmes de traitement des eaux usées sont nécessaires en raison du nombre important de travailleurs ou de l'activité intense dans la zone.
3. Installations temporaires ou mobiles : grâce à leur conception compacte et modulaire, les systèmes MBR peuvent être transportés et installés rapidement.

3. Combien d'espace occupe un système MBR compact et modulaire ?

Un système MBR compact et portable a une taille similaire à celle d'un conteneur maritime, ce qui facilite son installation et sa mobilité. De plus, comme il s'agit d'un système plug and play, il ne nécessite aucun montage supplémentaire, il suffit de raccorder l'arrivée et la sortie d'eau. Son intérieur est pré-monté.

4. Un système MBR compact et modulaire est-il coûteux ?

Un système MBR compact n'est pas coûteux en termes d'entretien. Son principal avantage est qu'il réduit considérablement les coûts de gestion des boues. Dans les systèmes conventionnels, de grandes quantités de boues sont générées, ce qui nécessite des purges fréquentes et coûteuses. En revanche, un MBR traite une plus grande concentration de biomasse, produisant moins de boues. Cela réduit les coûts d'exploitation, car il faut gérer moins de volume de boues. Bien que l'investissement initial puisse être plus élevé, les économies à long terme rendent le MBR plus économique et plus efficace que les systèmes conventionnels.

5. Quelle est la durée de vie prévue d'un système MBR compact ?

Un bioréacteur à membranes compact a une durée de vie comprise entre 15 et 25 ans, en fonction de son utilisation et de son entretien.

Il est important de mentionner que les membranes ont une durée de vie comprise entre 8 et 10 ans, si elles sont bien entretenues. Une fois cette période atteinte, les membranes doivent être remplacées.

6. Un prétraitement est-il nécessaire avant un système MBR ?

Il est également important de pré-traiter correctement l'eau avant qu'elle n'entre dans le MBR, en particulier pour éliminer les solides de plus de 1 mm, ce qui garantit un fonctionnement optimal du système.