Limitation du colmatage dans un bioréacteur à membranes à l’échelle semi-industrielle : modélisation et caractérisation de l’hydrodynamique

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