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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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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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2. Spécificité du bioréacteur à membranes – Présentation générale
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Dans le cas du procédé conventionnel par boues activées (BAC), l’étape de séparation biomasse/eau traitée repose sur une décantation gravitaire placée en aval du bioréacteur. Cette étape de séparation a deux rôles essentiels, minimiser la teneur en matières en suspension dans l’eau traitée, et permettre un recyclage des boues concentrées vers le bioréacteur pour y maintenir une concentration en biomasse adaptée à l’épuration attendue.
La fiabilité de cette étape est donc déterminante pour la qualité de l’eau traitée mais aussi pour la maîtrise des processus biologiques en empêchant tout « lessivage » du réacteur biologique (diminution progressive de la concentration en biomasse et donc de l’activité dans le réacteur due à une vitesse de croissance des espèces épuratives inférieure au flux spécifique d’extraction du bioréacteur).
Il est ainsi primordial de maîtriser la bonne décantabilité des boues ce qui, malheureusement, peut échapper ponctuellement aux opérateurs du fait de variabilité de la composition de l’intrant, ou de l’apparition de conditions de réaction non optimales (introduction accidentelle de toxiques, faible température, teneur en oxygène insuffisante, écart de pH, concentration en biomasse excessive…) entraînant une défloculation ou bien l’apparition de flocs à faible décantabilité de type bulking filamenteux, par exemple.
Il n’est donc pas rare d’observer sur de tels systèmes des dysfonctionnements préjudiciables pour l’environnement ou pour un objectif de réutilisation.
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Pour pallier la fragilité de l’étape de décantation, l’étape de séparation doit être composée d’une barrière infranchissable par les espèces épuratives, quel que soit leur état de floculation, voire par des fines particules non retenues habituellement par décantation.
Le choix de cette barrière s’est porté sur une opération de tamisage très fin obtenu par la mise en place de membranes poreuses dont la sélectivité est imposée par le seuil de coupure choisi (micro ou ultra-filtration) ...
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BIBLIOGRAPHIE
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