Effet des taux de charge organique sur les performances du bioréacteur à membrane pour les comportements de traitement des eaux usées, l'encrassement et le coût économique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 15601 (2023) Citer cet article

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Bien que les bioréacteurs à membrane immergée (MBR) soient largement utilisés dans le traitement des eaux usées municipales et la récupération des ressources potentielles, les paramètres opérationnels des membranes et le contrôle de l'encrassement des membranes restent des questions débattues. Dans cette étude, le traitement des eaux usées municipales par MBR dans des boues à haute biomasse (MLSS (g/L) allant de 5,4 g/L à 16,1 g/L) a été évalué à des taux de charge organique (OLR) allant de 0,86 à 3,7. kg DCO/m3j. La corrélation entre la pression transmembranaire et la résistance totale à l’encrassement a été étudiée de manière approfondie dans cette étude. Selon les résultats, des OLR plus élevés de 0,86 à 3,7 kg DCO/m3j ont entraîné une diminution de l'efficacité d'élimination de la DCO, de la DBO et du NH4-N, et des OLR plus élevés de 3,7 kg DCO/m3j ont entraîné une augmentation plus élevée de la résistance totale à l'encrassement (Rt ). L'étude économique de l'utilisation du système MBR a prouvé que pour un débit conçu de 20 m3/j, la période de retour sur investissement de l'utilisation des eaux usées traitées sera de 7,98 ans, ce qui confirme les avantages économiques de l'utilisation de ce MBR pour le traitement des eaux usées municipales. De manière générale, comprendre les défis auxquels est confrontée l’efficacité du MBR améliorerait ses performances et, par conséquent, la durabilité de la valorisation des eaux usées.

Le problème de la pénurie d'eau en Égypte a incité un grand nombre de chercheurs à rechercher des solutions alternatives afin de retarder les effets catastrophiques de cette calamité sur la vie de la population et sur l'économie du pays1,2. L'utilisation d'eaux usées traitées est une des solutions possibles. Néanmoins, cela pose de nombreux problèmes, notamment une complexité accrue et un effet néfaste des eaux usées générées par les industries et rejetées dans les égouts sans prétraitement, une situation qui a entraîné des politiques de l'eau strictes. Grâce aux méthodes biologiques de traitement des eaux usées, y compris la méthode conventionnelle des boues activées (CAS), la majorité de ces défis peuvent être relevés. Quoi qu’il en soit, ces processus se caractérisent par une faible sélectivité pour de nombreux contaminants, comme les microbes et certains contaminants organiques3,4. De nombreux problèmes liés au CAS peuvent être résolus à l'aide du bioréacteur à membrane (MBR), une approche de traitement alternative avec une empreinte plus petite, des effluents de meilleure qualité et moins de génération de boues. Par conséquent, les processus MBR sont utilisés plus fréquemment que les processus CAS. Les principaux facteurs à l’origine de la production d’eau recyclée de haute qualité par les MBR sont la rétention presque complète des substances de haut poids moléculaire, des bactéries et des particules en suspension par filtration membranaire. Ainsi, en tant que dernière étape du traitement, il sépare les solides des liquides bien plus efficacement que le décanteur secondaire d'un procédé CAS5.

Cependant, la filtration sur membrane ne peut pas aider autant à éliminer le phosphore et l’azote, car les processus biologiques sont principalement responsables de la réduction des nutriments (phosphore et azote). En fait, l’aération intensive et les temps de rétention prolongés des solides dans un système MBR conventionnel peuvent rendre l’élimination des nutriments moins efficace6,7. Pourtant, les difficultés liées à l’encrassement des membranes lors du traitement des boues activées ont retardé le développement des MBR. Par conséquent, des études récentes sur les systèmes de traitement des eaux usées domestiques basés sur le MBR se sont concentrées sur les moyens de gérer l’encrassement des membranes8. Parmi celles-ci figurent la modification de la surface de la membrane, l’utilisation d’une vitesse de flux transversal élevée, l’optimisation des conditions chimiques ou opérationnelles et le nettoyage hydrodynamique9,10.

Il convient toutefois de mentionner que l’utilisation commerciale répandue des MBR est limitée en raison de l’encrassement des membranes. Les phénomènes d'encrassement à la surface de la membrane et à l'intérieur des pores diminuent la stabilité du flux à long terme, nécessitant un nettoyage de la membrane, ce qui augmente le coût global. De plus, si le nettoyage ne parvient pas à récupérer suffisamment de flux, le remplacement de la membrane est également une option11,12. En raison de la complexité du phénomène d’encrassement des membranes, il est encore difficile pour les scientifiques travaillant dans ce domaine de prévoir le comportement de l’encrassement13. Par conséquent, l’augmentation des coûts de maintenance due à l’exploitation suite à l’encrassement est l’un des inconvénients les plus importants du MBR, ce qui limite son adoption à grande échelle14.