Traitement biologique compact avec membranes et lit mobile (SMBR et SMBBR)

• 1. traitement biologique à membrane et à lit mobile - MBR et MBBR
• 2. traitement des eaux usées par le procédé biologique MBBR
• Traitement des eaux usées avec MBR
• 4. Traitement combiné des eaux usées avec MBBR et MBR
• 5. Résumé

1. traitement biologique à membrane et à lit mobile - MBR et MBBR

Le traitement des eaux usées industrielles nécessite des méthodes et des processus sophistiqués qui peuvent être adaptés à chaque rejet spécifique.

Contrairement aux eaux usées des stations d'épuration urbaines, où les charges polluantes évoluent selon des valeurs relativement régulières et où les chaînes de traitement sont généralement normalisées, il n'existe pas de schéma normalisé pour les eaux usées industrielles, car chaque secteur et chaque industrie génèrent des rejets différents.

En outre, dans les environnements industriels, l'espace disponible pour l'implantation des stations d'épuration est souvent limité, ce qui a conduit à l'évolution des technologies visant à réduire la taille requise et à améliorer l'efficacité du traitement.

En ce sens, il existe des technologies qui prennent peu de place et permettent un haut degré de personnalisation, comme c'est le cas des réacteurs MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor). Les réacteurs MBBR(Moving Bed Biofilm Reactor), qui offrent des performances élevées.Les réacteurs MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) offrent des performances élevées. 

Dans un procédé biologique aérobie MBBR, la dégradation de la matière organique est effectuée par des bactéries aérobies dans un réacteur biologique à lit mobile.

Les rejets d'un réacteur MBBR contiennent, outre la DCO non biodégradable, les restes de boues qui n'ont pas adhéré aux parois du matériau de garnissage qui abrite les bactéries dans ce processus (boues excédentaires).

Un autre facteur important à souligner est que les stations d'épuration biologique aérobie sont complétées par des systèmes de séparation et de recirculation des boues, tels qu'un décanteur secondaire, ou par des systèmes de flottation DAF, qui permettent d'obtenir des effluents de meilleure qualité et des concentrations plus élevées dans les boues séparées.

D'autre part, les systèmes biologiques compacts, tels que les réacteurs MBR(Membrane Biological Reactor), agissent simultanément comme un traitement secondaire et tertiaire, car ils filtrent les eaux usées traitées par le MBBR avec un ensemble de membranes d'ultrafiltration (UF). On obtient ainsi une eau traitée de haute qualité et un concentré (boue) qui peut être recirculé ou envoyé à la déshydratation en vue d'une mise en décharge ultérieure ou d'une réutilisation dans le compostage.

Les systèmes MBBR et MBR optimisent le système de débogage sur des aspects pertinents tels que l'efficacité et l'encombrement.

2. traitement biologique MBBR

La technologie MBBR présente un haut niveau d'adaptabilité à différents types de rejets, en particulier dans les secteurs industriels.                                              

Les réacteurs à lit mobile utilisent des supports en plastique, recouverts d'un biofilm, pour décomposer les déchets organiques avec lesquels ils entrent en contact dans les eaux usées. Ces supports, également appelés transporteurs, sont immergés dans le réacteur biologique et, grâce à leur mouvement, augmentent les performances et la capacité d'épuration du système MBBR sans qu'il soit nécessaire d'augmenter la taille du réacteur.                         

Le processus MBBR fonctionne grâce à l'activité de micro-organismes qui se fixent sur des solides poreux de grande surface flottant dans le milieu des eaux usées. Sa fonction est de faciliter la croissance de colonies complexes composées de micro-organismes et de bio-matière(biofilm).

Les supports, dont la densité est proche de celle de l'eau, flottent et circulent librement à l'intérieur du réacteur grâce à l'action des bulles d'aération (dans les chambres aérobies) ou du brassage mécanique (dans les chambres anaérobies). La circulation des supports dans l'eau régule et stabilise la croissance du biofilm et la cinétique des réactions, ce qui réduit le risque de colmatage du lit et évite les courts-circuits du liquide dans le volume utile.

Les systèmes MBBR constituent un excellent choix pour les installations où l'espace est limité, car les chambres d'aération sont plus petites que dans les systèmes à boues activées conventionnels, tout en conservant des performances similaires. Il s'agit également d'un processus flexible, car le concepteur peut faire varier la surface disponible.

Il est courant que l'effluent soit soumis à un traitement primaire avant d'entrer dans le réacteur MBBR. Le processus recommandé est la coagulation/floculation, suivie de la DAF, car il permet d'éliminer la plupart des matières en suspension et des matières colloïdales avant que les eaux usées n'entrent dans le réacteur MBBR.

En plus d'une grande efficacité de séparation, ce traitement primaire entraîne une concentration élevée des boues (3 à 5 %), ce qui simplifie considérablement le processus de traitement et de séchage des boues. En outre, les huiles et les graisses sont presque entièrement séparées, ce qui protège les supports MBBR d' un encrassement nuisible.

Après le réacteur, la biomasse peut être séparée par un clarificateur ou un autre procédé de séparation, qui doit être choisi en fonction des caractéristiques de l'effluent et de sa destination. Cela permet de s'assurer que le réacteur conserve toujours à l'intérieur les micro-organismes nécessaires à son fonctionnement, garantissant ainsi l'efficacité et la performance de ce système de traitement.

Les bioréacteurs à lit mobile de SIGMADAF offrent des performances exceptionnelles, car tous les micro-organismes nécessaires à l'élimination de la charge polluante sont immergés dans le réacteur, attachés aux supports en plastique. Grâce à ce système, la seule biomasse qui doit être retirée du système est celle qui a été détachée des supports et celle qui est en suspension dans l'effluent traité.

Les avantages les plus importants du procédé MBBR sont les suivants :      

• Leur installation nécessite peu d'espace.
• Facile à utiliser, il ne nécessite pas de recirculation des boues, ni de contrôle du temps de séjour des cellules.
• Élimination des problèmes de gonflement.
• Excellente qualité des effluents.
• Capacité à supporter les pics de charge et les variations de débit.
• Il s'agit d'un système à fonctionnement continu, qui ne nécessite pas d'attention constante ni d'interruption du traitement.

Comme mentionné ci-dessus, un système MBBR est une technologie de boues activées, dans laquelle un matériau flottant en polyéthylène est introduit pour favoriser la croissance de la biomasse à sa surface. Ce matériau flottant fournit une surface efficace pour la croissance du biofilm, augmentant ainsi la concentration volumétrique de la biomasse.

Cette croissance forcée de la biomasse sur un élément flottant présente un certain nombre de caractéristiques particulières:

• La concentration de MLSS (concentration de biomasse à l'intérieur du réacteur) peut être 1,5 à 2 fois plus élevée que celle obtenue avec les systèmes conventionnels à boues activées, jusqu'à 4000 - 8000 mg/L.
• Le temps de séjour effectif des cellules est augmenté.
• La capacité de traitement du système est augmentée du même volume.

En raison de l'augmentation du MLSS, il n'y a pas d'augmentation de la concentration des boues atteignant le processus suivant, mais les boues sont réduites, de sorte que la taille de l'étape de traitement suivante est plus petite que dans les systèmes conventionnels.

Ce réacteur MBBR se compose de chambres aérobies (avec injection d'oxygène) dans lesquelles différents types de supports sont introduits. Les chambres sont reliées par un canal dans lequel des grilles sont installées pour retenir ces supports.

Le processus MBBR s'est avéré efficace pour éliminer jusqu'à 90 % de la DCO et 95 % de la DBO, à condition que le temps de rétention soit suffisant. Les performances d'un réacteur MBBR dépendent de facteurs tels que :

• Le pourcentage de média fourni dans le réacteur.
• La surface des supports.
• Oxygène dissous.
• La charge organique.

Les systèmes MBBR sont une technologie rentable, efficace, compacte et facile à utiliser.

3. le traitement des eaux usées avec les BRM

Les systèmes MBR diffèrent des autres procédés biologiques en ce qu'ils intègrent un traitement de filtration tertiaire qui produit une eau traitée de haute qualité, qui peut être réutilisée pour certaines applications.

Les systèmes MBR sont couramment utilisés pour les processus de traitement des eaux usées municipales, industrielles et même domestiques où la réutilisation de l'eau est souhaitée.                                                                                        

Les bioréacteurs à membrane (BRM) sont une variante des systèmes à lit mobile et à membrane utilisés pour le traitement des eaux usées. Dans un système MBR, les micro-organismes décomposent la matière organique présente dans les eaux usées et l'eau traitée passe ensuite à travers un filtre à membrane pour éliminer les solides en suspension et les micro-organismes restants. Il en résulte une eau traitée qui peut être réutilisée ou rejetée dans l'environnement. 

L'effluent entrant dans le réacteur biologique contient une forte concentration de boues activées, qui doivent être recirculées pour maintenir une concentration adéquate pendant le traitement biologique. Ces boues sont filtrées à travers un ensemble de membranes et recirculées vers la zone d'oxydation.

D'autre part, les restes de solides totaux en suspension et de bactéries (boues excédentaires) sont également entraînés et doivent être purgés du système et évacués périodiquement. Cette fraction est envoyée à la déshydratation afin de réduire son volume et de la rendre gérable.    

Les bioréacteurs à membrane (MBR) utilisent principalement des membranes d'ultrafiltration et de microfiltration. En fonction de leur forme physique, elles peuvent être divisées en membranes MBR à fibres creuses, à feuilles plates et tubulaires. Les matériaux les plus couramment utilisés pour la fabrication des membranes sont le PVDF, le PTFE, le PE, le PVC, la céramique, le verre et les matériaux composites. 

Les plages de séparation de ces membranes sont les suivantes :

• Microfiltration de 100 à 1000 nm
• Ultrafiltration de 5 à 100 nm.

Dans certains cas, le NF et l'OI sont appliqués, mais cette configuration est sujette à des problèmes d'encrassement.           

Comme le montre le schéma ci-dessous, les membranes peuvent être installées soit immergées dans le bioréacteur, soit à l'extérieur du système.

Avantages

Les principaux avantages offerts par les bioréacteurs à membrane MBR sont les suivants :

1. Efficacité accrue: les BRM permettent l'élimination des polluants et la production d'une eau de haute qualité. 
2. Moins d'espace: les BRM nécessitent moins d'espace que les systèmes conventionnels de traitement des eaux usées. 
3. Plus grande flexibilité: les BRM sont plus flexibles que les systèmes conventionnels de traitement des eaux usées, ce qui leur permet de s'adapter à différents types d'eaux usées et de charges polluantes. 
4. Production réduite de boues: les BRM produisent moins de boues que les systèmes conventionnels de traitement des eaux usées, ce qui réduit les coûts d'élimination des boues. 

Inconvénients

Les principaux inconvénients du traitement par bioréacteur à membrane (MBR) sont les suivants :

1. Besoin de nettoyage: les membranes utilisées dans les bioréacteurs à membrane doivent être nettoyées régulièrement pour éviter l'accumulation de solides et de micro-organismes à leur surface. 
2. Consommation d'énergie: les bioréacteurs à membrane consomment plus d'énergie que les systèmes conventionnels de traitement des eaux usées en raison de la nécessité de pomper l'eau à travers les membranes. 
3. Sensibilité à la qualité de l'eau : les bioréacteurs à membrane sont plus sensibles à la qualité de l'eau que les systèmes conventionnels de traitement des eaux usées, ce qui peut affecter leur efficacité. 

Comparaison de l'efficacité d'un système MBR par rapport à un procédé conventionnel

Paramètre	MBR	Conventionnel
DB05	< 5 mg/l	10 - 30 mg/l
SST	< 1 mg/l	10 - 30 mg/l
MLSS	8.000 - 25.000 mg/l	2.000 - 3.000 mg/l
Turbidité	< 0.2 NTU	5 - 20 NTU
Coliformes fécaux	< 10	> 105

Nettoyage des membranes

Les membranes des bioréacteurs à membrane sont nettoyées par rinçage à contre-courant avec de l'eau et de l'air perméables et, dans certains cas, à l'aide de solutions chimiques. La force motrice à travers la membrane est obtenue en pressurisant le réservoir ou en appliquant un vide du côté du perméat, ce qui favorise le passage du liquide à travers la membrane.  

Des solutions chimiques telles que l'hypochlorite de sodium, l'acide hypochloreux ou le peroxyde d'hydrogène sont utilisées pour nettoyer les membranes des bioréacteurs à membrane (BRM). Ces solutions chimiques sont utilisées pour imbiber les membranes pendant quelques minutes, puis un rinçage à l'avant ou à l'arrière est appliqué pour éliminer les contaminants. Le choix de la solution chimique dépend du type de contaminant à éliminer et de la nature de la membrane. 

4. Traitement combiné des eaux usées par MBBR et MBR

Le traitement biologique des eaux usées par membrane (MBR) et le traitement biologique des eaux usées par lit mobile (MBBR) sont des procédés qui combinent les deux technologies (membranes et procédé par lit mobile) pour traiter les eaux usées. 

La combinaison de ces deux technologies offre une grande efficacité dans l'élimination des polluants des eaux usées.             

L'efficacité du traitement biologique par membranes et lit mobile dépend de plusieurs facteurs :

• Qualité des eaux usées entrantes
• Charge organique
• Température
• Disponibilité de l'oxygène
• Présence de nutriments

Le choix du support utilisé dans le processus de lit mobile peut également influencer l'efficacité du traitement. Les bioréacteurs à lit mobile et à membrane fonctionnant avec un faible temps de rétention hydraulique garantissent un taux élevé d'élimination des contaminants. 

Les boues filtrées par les membranes MBR sont essentiellement constituées de matières inertes libérées par les supports MBBR. Cette matière inerte peut être séparée lors du traitement primaire précédent, et peut donc être renvoyée dans cette partie de l'installation pour être séparée avec les boues primaires. Une autre option consiste à le purger des membranes et à l'envoyer à la déshydratation en vue de son élimination ultérieure.

L'option consistant à utiliser des BRM submergés comme deuxième étape d'un traitement biologique est recommandée pour traiter les effluents qui nécessitent la production d'une eau de meilleure qualité ou qui ont des teneurs élevées en NTK. Dans ces cas, il est conseillé d'avoir une ligne de recirculation à l'entrée du MBBR avec une zone anoxique en amont.

Parmi les avantages offerts par cette combinaison de procédés, on peut citer les suivants :

• Flexibilité dans le traitement.
• Amélioration de l'efficacité du système
• Moins d'espace occupé qu'avec un processus de sédimentation ou de flottation après le processus biologique.
• Amélioration de la qualité de l'eau traitée

5. Résumé

Le procédé MBBR a gagné du terrain par rapport à d'autres traitements biologiques conventionnels tels que l'aération prolongée, en raison de ses avantages en termes de flexibilité et de spécialisation dans des rejets industriels spécifiques, car il permet de combiner différents types de colonies bactériennes contenues dans différentes zones du réacteur. Les performances d'épuration sont également accrues par le fait que les colonies sont logées dans un ensemble d'éléments en plastique(supports) qui leur offrent une grande surface d'adhésion et de développement(biofilm), à laquelle s'ajoute la mobilité de l'ensemble due à l'agitation par l'air (système aérobie), ou à l'agitation mécanique (dans un système anaérobie). Il en résulte un débit élevé dans le plus petit espace occupé.

La technologie MBR, quant à elle, remplace le système de clarification secondaire afin de séparer les boues qui échappent au traitement biologique. Dans le cas d'un BRMB, ces boues sont formées par les restes des supports et pratiquement toutes peuvent être considérées comme des boues excédentaires. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de faire recirculer les boues activées avant le BRMB, et une fois filtrées à travers les membranes du BRMB, elles peuvent être envoyées directement pour une déshydratation ultérieure ou renvoyées au traitement primaire.

Malgré les avantages d'un espace réduit, d'une performance et d'une efficacité accrues par rapport à d'autres traitements courants des eaux usées, les inconvénients de cette combinaison de procédés sont leur coût plus élevé et leur complexité, ce qui entraîne la nécessité d'un personnel qualifié.