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International audience; Phosphorus (P) removal from the domestic wastewater is required to counter the eutrophication in receiving water bodies and is mandated by the regulatory frameworks in several countries with discharge limits within 1-2mgPL−1. Operating at higher sludge retention time (SRT) and higher biomass concentration than the conventional activated sludge process (CASP), membrane bioreactors (MBRs) are able to remove 70–98% phosphorus without addition of coagulant. In full-scale facilities, enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is assisted by the addition of metal coagulant to ensure >95% P-removal. MBRs are successfully used for super-large-scale wastewater treatment facilities (capacity >100,000 m3d−1). This paper documents the knowledge of P-removal modeling from lab to full-scale submerged MBRs and assesses the existing mathematical models for P-removal from domestic wastewater. There are still limited studies involving integrated modeling of the MBRs (full/super large-scale), considering the complex interactions among biology, chemical addition, filtration, and fouling. This paper analyses the design configurations and the parameters affecting the biological and chemical P-removal in MBRs to understand the P-removal process sensitivity and their implications for the modeling studies. Furthermore, it thoroughly reviews the applications of bio-kinetic and chemical precipitation models to MBRs for assessing their effectiveness with default stoichiometric and kinetic parameters and the extent to which these parameters have been calibrated/adjusted to simulate the P-removal successfully. It also presents a brief overview and comparison of seven (7) chemical precipitation models, along with a quick comparison of commercially available simulators. In addition to advantages associated with chemical precipitation for P-removal, its role in changing the relative abundance of the microbial community responsible for P-removal and denitrification and the controversial role in fouling mitigation/increase are discussed. Lastly, it encompasses several coagulant dosing control systems and their applications in the pilot to full-scale facilities to save coagulants and optimize the P-removal performance.

Malgre leur fort developpement en assainissement domestique urbain, les bioreacteurs a membranes (BaM) pâtissent de phenomenes de colmatage, induisant des couts energetiques et de maintenance importants. L’aeration sequencee des membranes par des grosses bulles est l’une des strategies pour limiter le colmatage ; son impact a fait l’objet de plusieurs etudes mais reste globalement mal compris, notamment du fait de la complexite de ces systemes, multiphasiques et opaques. L’hydrodynamique des reacteurs reste mal caracterisee en presence de boues. Pour apporter des elements de comprehension aux mecanismes de limitation du colmatage par injection d’air, un pilote de filtration membranaire semi-industriel (2 m3, 3 sous modules fibres creuses Puron®) a ete concu, dimensionne et installe sur l’unite de traitement des jus (TDJ) de la station d’epuration Seine Aval (SIAAP), afin d’etre alimente en boues biologiques dans des conditions reelles de fonctionnement. Le suivi des parametres operatoires du pilote et de ses performances de filtration sur une periode de 5 mois avait un double objectif : (i) mieux caracteriser la dispersion du gaz pour differentes conditions de fonctionnement (parametres de l’aeration, concentration en boues de l’alimentation), (ii) hierarchiser les facteurs qui limitent le colmatage des membranes. Il s’agit in fine de proposer des strategies d’aeration adaptees et efficaces pour limiter le colmatage. Afin de caracteriser la dispersion du gaz dans le reacteur, une methodologie innovante basee sur la tomographie de resistivite electrique (ERT) a ete adaptee au pilote. Les conditions d’utilisation de l’ERT (nombre d’electrodes de mesure, sequence de quadripoles) ont ete selectionnees a travers une etude numerique, de meme que les parametres d’inversion necessaires pour reconstituer la cartographie des resistivites a partir des mesures experimentales. Cette etude numerique poussee, realisee sous COMSOL, a permis de conclure a l’interet de la methode pour representer la distribution des phases dans la geometrie consideree. L’ERT a donc ete appliquee au pilote alimente en boues, pour differentes conditions d’aeration. Le jeu de donnees de filtration a par ailleurs ete analyse par logique floue, a l’aide du logiciel FisPro. Les arbres de decision obtenus, en analysant les resultats de maniere globale et en les regroupant par conditions operatoires similaires, ont mis en evidence l’impact preponderant des variables suivantes sur la derive de permeabilite observee (comprise entre - 9 et 2 LMH/bar) : la difference de DCO entre le surnageant des boues et le permeat (DDCO) traduisant une phase colloidale complexe, et la concentration en matieres en suspension (MES), ayant toutes deux un impact negatif sur les performances de filtration. Une augmentation du debit d’air conduirait a une limitation de la derive de permeabilite, sauf lorsque la variable DCO est elevee (> a 500 mg/L), cette hypothese restant cependant a verifier sur une base de donnees plus consequente. Le modele ainsi obtenu par logique floue permet de mieux simuler les evolutions de permeabilite que les modeles obtenus par regression lineaire multivariee (erreurs de 0,61 et de 0,70 respectivement), et ce malgre une incertitude relative importante sur la mesure de permeabilite (jusqu’a 16 %). Ces resultats sont coherents avec la dispersion du gaz observee par ERT : son homogeneite depend de la concentration en MES et du debit d’air injecte. A forte concentration en MES (6 – 10 g/L), des zones preferentielles de passage des bulles ont ete observees, en particulier a faible debit d’air, expliquant ainsi un colmatage plus important. L’utilisation nouvelle dans ce contexte de ces techniques, ERT et logique floue, donne des resultats qui confortent l’interet d’adapter l’aeration (debit, sequencage) aux caracteristiques des boues notamment leurs concentrations, et qui permettent d’envisager des strategies de controle de ces parametres