1. Pourquoi utiliser le MBR ?
Carences et inconvénients des méthodes traditionnelles (procédé à boues activées) :
Le traitement traditionnel des eaux usées repose principalement sur des boues activées (une masse gélatineuse formée par des micro-organismes et les substances organiques et inorganiques auxquelles ils adhèrent) pour décomposer les polluants. Par la suite, le mélange est dirigé vers un bassin de décantation où les boues se déposent naturellement tandis que de l'eau claire s'écoule par le haut. Cette méthode est utilisée depuis des siècles, mais elle se heurte à plusieurs défis persistants :
Grande surface requise : Un grand bassin de sédimentation est nécessaire pour permettre à la boue de se déposer lentement.
Les boues ont tendance à « gonfler » : si les boues ne décantent pas correctement, elles risquent de s'écouler avec l'eau, ce qui entraîne une mauvaise qualité des effluents.
Boues excédentaires excessives : Une grande quantité de boues excédentaires est produite, le coût de traitement représentant plus de 25 % du coût d’exploitation.
La concentration des boues dans la cuve de réaction ne peut pas être augmentée : elle ne peut être maintenue qu'entre 1,5 et 3,5 grammes par litre, limitant l'efficacité de la réaction.
L’émergence du MBR a apporté une solution aux problèmes évoqués ci-dessus !
Le MBR remplace le bassin de décantation secondaire par des modules à membrane, permettant une séparation plus approfondie des boues et de l'eau. Les micro-organismes sont interceptés par la membrane, leur permettant de rester dans le système pendant que l'eau s'écoule à travers la membrane !
Ainsi, la concentration des boues peut être augmentée jusqu'à 8 à 15 grammes par litre, soit 3 à 5 fois supérieure à celle des méthodes traditionnelles.
Ne vous souciez plus des problèmes de gonflement des boues. Avec le tamisage de la taille des pores de la membrane, que les flocs de boues soient lâches ou non, qu'ils flottent ou non, la membrane piège directement toutes les boues. Peu importe le volume des boues ou la mauvaise sédimentation, elles ne peuvent pas traverser les pores de la membrane et ne seront pas perdues avec l'effluent, garantissant ainsi une qualité stable de l'effluent.
La qualité de l'eau rejetée est excellente, avec des matières en suspension presque nulles et une turbidité inférieure à 1 NTU.
2. Principes fondamentaux du MBR
Composition du MBR
Le MBR équivaut à un bioréacteur plus un module membranaire. Le bioréacteur est le lieu de travail des bactéries, tandis que le module à membrane sert de tamis pour séparer l'eau boueuse.
Classification par position du module membranaire
Type d'immersion (type intégré) : La membrane est directement immergée dans le réservoir biologique et l'eau est extraite par aspiration à pression négative. L’avantage de cette méthode est une faible consommation d’énergie et un faible encombrement, mais l’inconvénient est un flux membranaire relativement faible.
Type externe (séparé) : la membrane est réglée séparément et le liquide mélangé est pressurisé par une pompe puis passe à travers la membrane. L'avantage est un fonctionnement stable et un nettoyage facile, mais la consommation d'énergie est plus élevée.
Actuellement, le MBR immergé est largement utilisé sur le marché, particulièrement adapté au traitement des eaux usées domestiques.
Classification par forme de module membranaire
Type de fibre creuse : densité de compactage élevée, faible encombrement, mais sujet à la rupture et au blocage des fils et difficile à nettoyer.
Type plat : simple à fabriquer, facile à entretenir et facile à nettoyer, mais avec une densité d’emballage plus faible.
Type de tube : non sujet au colmatage, résistant à la contamination, facile à nettoyer, mais avec la densité d'emballage la plus faible et un prix plus élevé.
Comment fonctionne la « filtration » dans MBR ?
Le cœur du MBR réside dans la filtration membranaire. Selon le mode de fonctionnement, la filtration membranaire peut être classée en deux types :
Filtration à pression constante : c'est comme pousser un tamis avec une force fixe. Au début, l'eau claire s'écoule rapidement, mais à mesure que la surface du tamis est obstruée par des boues, l'écoulement ralentit. Le taux de production d’eau diminue continuellement avec le temps !
Filtration à débit constant : Elle vise un « débit d’eau constant ». Pour y parvenir, lorsque la membrane est polluée et que la résistance augmente, le système augmente automatiquement la force d'aspiration (la différence de pression transmembranaire augmente) pour maintenir le même débit d'eau. Dans le même temps, grâce à un récurage par aération régulier ou à un rinçage inversé, les polluants présents à la surface de la membrane sont évacués et emportés, permettant à la membrane de « respirer ». Cette approche contrôle non seulement efficacement la pollution des membranes, prolonge le cycle de nettoyage, mais maintient également une efficacité élevée de production d'eau, permettant au système de fonctionner de manière stable pendant une longue période.
Comment les micro-organismes « mangent » les polluants ?
Le traitement biologique en MBR est essentiellement un processus de décomposition de la matière organique par des micro-organismes dans des conditions aérobies. Après avoir ingéré de la matière organique, les micro-organismes font principalement deux choses :
Anabolisme : Une partie de la matière organique est utilisée pour construire son propre corps, entraînant une augmentation du nombre de micro-organismes.
Métabolisme de décomposition : une autre partie de la matière organique est complètement décomposée en substances stables et inoffensives telles que le dioxyde de carbone et l'eau, tout en libérant de l'énergie permettant aux micro-organismes de maintenir leur vie. (Son essence est similaire à celle des boues activées)
3. Avantages et inconvénients du MBR
Les principaux avantages du MBR
La qualité des effluents est excellente : les matières en suspension dans l'effluent MBR sont quasiment nulles, avec une turbidité inférieure à 1 NTU, et des indicateurs tels que la DCO et l'azote ammoniacal sont bien supérieurs à ceux des procédés traditionnels. Il peut être directement réutilisé pour la chasse d'eau des toilettes, le verdissement, le lavage de voiture, le réapprovisionnement en eau du paysage, etc.
Faible encombrement : éliminant le besoin d'un bassin de décantation secondaire, le processus est court et peut être conçu comme un type souterrain, ce qui le rend particulièrement adapté aux villes ou aux zones résidentielles disposant de terrains limités.
Faible production de boues excédentaires : le MBR peut fonctionner dans des conditions de vieillissement des boues longues, permettant aux boues de se digérer elles-mêmes, ce qui entraîne un volume de production de boues qui ne représente qu'un-tiers à la-moitié de celui des méthodes traditionnelles, réduisant considérablement le coût de l'élimination des boues.
Forte résistance aux charges de choc : elle n'a pas peur du gonflement des boues, car les boues à haute -concentration offrent une forte capacité tampon.
Haut degré d'automatisation : le temps de rétention hydraulique et l'âge des boues sont complètement séparés, ce qui facilite l'obtention d'un contrôle entièrement automatique et d'un fonctionnement et d'une gestion pratiques.
Les lacunes et les défis du MBR
Investissement élevé : le coût des composants membranaires est élevé et l'investissement du projet est de 30 à 50 % supérieur à celui des méthodes traditionnelles.
Consommation d'énergie élevée : des processus tels que l'aération et l'aspiration par membrane consomment une quantité importante d'électricité !
Encrassement de la membrane : La membrane peut se boucher et nécessite un nettoyage régulier. L'encrassement membranaire est divisé en trois étapes : - encrassement initial (adsorption en quelques heures), encrassement lent (accumulation de colloïdes en quelques semaines) et encrassement rapide (la chute de pression transmembranaire augmente en quelques jours), nécessitant différents niveaux de mesures de nettoyage.
Coût élevé de remplacement de la membrane : la durée de vie d'une membrane est généralement d'environ 5 ans et elle doit être remplacée lorsqu'elle expire, ce qui représente une dépense importante pour un fonctionnement à long terme.
Les exigences de prétraitement sont strictes : des grilles ultra-fines (1 à 2 millimètres) doivent être installées, sinon les cheveux et les fibres s'emmêleront dans les fibres de la membrane, provoquant une forte pollution, voire des dommages à la membrane. En même temps, il est également très sensible aux substances huileuses.
