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RÉSUMÉ
Le bioréacteur à membranes est l’association d’un réacteur biologique et d’une séparation physique par des membranes poreuses. En traitement des eaux usées, ce procédé multifonctionnel offre des résultats intéressants, en terme de qualité et de fiabilité du traitement, mais sa mise en œuvre requiert la connaissance de quelques outils pour la maîtrise des processus physiques et biologiques spécifiques. Le bioréacteur à membranes est aujourd’hui une réalité industrielle : plus de 300 installations en Europe.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Alain GRASMICK : École polytechnique universitaire de Montpellier, université Montpellier II
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Corinne CABASSUD : Institut national des Sciences appliquées de Toulouse (INSA)
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Mathieu SPERANDIO : Institut national des sciences appliquées de Toulouse (INSA)
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Christelle WISNIEWSKI : École polytechnique universitaire de Montpellier, université Montpellier II
INTRODUCTION
Le traitement des eaux résiduaires urbaines (ERU) ou industrielles (ERI) est régi, soit par une réglementation basée sur la plus ou moins grande fragilité du milieu récepteur en cas de rejet direct, soit par une qualité d’usage requise en cas de volonté de réutilisation des eaux traitées.
Pour les rejets en milieu naturel des effluents domestiques, il a ainsi été défini des zones dites « normales » pour lesquelles le traitement est principalement axé sur l’élimination des fractions particulaires et des pollutions carbonées et des zones dites « sensibles », où une élimination complémentaire des fractions azotées et phosphatées est nécessaire.
Pour les effluents domestiques, les procédés dits « conventionnels », qu’ils soient intensifs (boues activées ou lits bactériens, biofiltres par exemple), extensifs (lagunage, système d’infiltration notamment) ou combinés, peuvent répondre aux exigences de rejet en présentant chacun des performances plus ou moins fiables du fait de leur sensibilité à des variations brutales de flux à traiter (cas des systèmes à cultures libres), de l’état de floculation des populations épuratives (cas des boues activées) ou de défauts de maîtrise de la répartition de la biomasse et des écoulements au sein de garnissages poreux (systèmes à cultures fixées dans des lits à ruissellement, voire biofiltres).
Pour les effluents industriels, une réglementation précise également les conditions de rejet en milieu naturel, voire en réseau urbain, mais on observe un intérêt croissant pour des systèmes permettant une réutilisation partielle ou totale des eaux traitées.
Le présent article a pour objet de présenter les bioréacteurs à membranes utilisés en traitement des eaux usées, de mettre en avant l’originalité de ce procédé multifonctionnel, en terme de qualité et de fiabilité du traitement, et de donner quelques outils pour la maîtrise des processus physiques et biologiques spécifiques au procédé.
Le bioréacteur à membranes étant l’association d’un réacteur biologique et d’une séparation physique par des membranes poreuses, le document intègre la présentation générale du système, les caractéristiques propres à chaque étape unitaire et à leur couplage, des exemples de dimensionnement et d’applications, ainsi que des perspectives de développement.
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4. Exemple simplifié de dimensionnement d’un BAM dans le cas du traitement d’un effluent urbain
Nous allons considérer un exemple relatif au traitement d’un effluent présentant un débit moyen Q i de 1 000 m3 · j–1.
Dans cet exemple, le dimensionnement est rapporté aux flux moyens journaliers.
Cet effluent contient une concentration moyenne en matière organique de 800 mg DCO/L. Il est recherché un rejet n’excédant pas 80 mg/L en DCO (soit un rendement épuratoire sur la matière organique de 90 %) et 15 mg/L en MES.
On considèrera que le rapport MVS/MES dans l’eau brute est proche de 80 %.
L’épuration ne portant que sur l’élimination de la fraction organique et de la fraction particulaire, un seul réacteur biologique aérobie est nécessaire, associé à une étape de séparation membranaire.
Quatre conditions biologiques sont envisagées et seront alors comparées : le volume de réacteur, la production de boues et les besoins quotidiens en oxygène par unité de volume de réacteur :
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procédé 1 : un BAC conventionnel (boues activées associées à une clarification aval par décantation gravitaire) présentant un âge de boues de 10 jours et une concentration en MES en régime stabilisé de 5 g/L ;
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procédé 2 : un bioréacteur à membrane fonctionnant à fort âge des boues. En régime permanent, le temps de séjour des boues est de 40 j et la concentration en biomasse de 20 gMES/L ;
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procédé 3 : un bioréacteur à membrane fonctionnant à faible âge des boues. En régime permanent, le temps de séjour des boues est de 10 j et la concentration en biomasse de 20 gMES/L ;
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procédé 4 : un bioréacteur à membrane fonctionnant avec un âge des boues de 15 jours et une concentration en biomasse moyenne de 10 gMES/L.
Pour les systèmes BAM 2, 3 et 4, la partie séparation membranaire sera analysée en considérant les données suivantes :
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l’installation membranaire va fonctionner avec des modules immergés présentant chacun une surface filtrante de 150 m2. Les membranes choisies présentent une perméabilité à l’eau propre de 150 L · h · m–2 · bar–1...
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BIBLIOGRAPHIE
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