Impacts de la recirculation du concentrat d'osmose inverse sur les performances d'un bioréacteur à membrane pour la réutilisation des eaux usées

par Thi thu nga Vu

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Christelle Guigui.

Soutenue le 18-10-2017

à Toulouse, INSA , dans le cadre de Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés , en partenariat avec Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (laboratoire) et de Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP (laboratoire) .

Le jury était composé de Christelle Guigui, Stephanie Laborie, Benoit Teychene.

Les rapporteurs étaient Marc Heran, Philippe Moulin.


  • Résumé

    Les eaux usées peuvent possiblement être traitées par un système membrane intégré et combinant les procédés de bioréacteur à membrane (BAM) et d’osmose inverse (OI) pour une élimination efficace des micropolluants en vue de la réutilisation des eaux. Cependant, le rejet des concentrats d’OI dans l’environnement pourraient représenter un danger en raison de la toxicité de certains de leurs composés (micropolluants, sels, matières organiques). Une des solutions possibles peut être de recycler le concentrat d’OI vers le BAM. Néanmoins, une étude approfondie s’impose pour une telle configuration car le recyclage mettrait en jeu la recirculation de matière organique non biodégradable, ou de fortes concentrations en sels ou micropolluants, qui pourraient finalement engendrer, directement ou indirectement, un colmatage de la membrane ainsi qu’une modification de l’activité bactérienne dans le BAM. Les effets du recyclage de concentrat d’OI sur les performances de BAM ont été étudiés de deux différentes manières, en distinguant les effets à court-terme (ou court temps de contact) et les effets à long-terme (ou long temps de contact). Les résultats montrent qu’après un temps de contact de 3 heures entre le concentrat et les boues, les concentrations en protéines et polysaccharides dans le surnageant restent inchangées par rapport au début de l’opération. Une analyse HPLC-SEC a permis d’étudier les effets du concentrat d’OI sur la production de matières microbiennes solubles de types protéique. Un pic de concentration en substances protéiques ayant une masse moléculaire de 10 à 100 kDa a été observé dans le surnageant juste après l’addition du concentrat d’OI. Le pouvoir colmatant des boues n’a lui pas été modifié après l’injection du concentrat d’OI. Cette observation ouvre sur la possibilité de développer une opération d’OI comme traitement tertiaire en aval du BAM. La combinaison BAM-OI pourrait donc être une solution envisageable pour traiter le concentrat d’OI. Pour les longs temps de contact, les résultats ont montré que l’impact de l’effluent toxique (concentrat d’OI) sur les boues dépendait du rendement de l’opération d’OI et des caractéristiques du concentrat. Les mêmes tendances ont été observées quelle que soit la composition du concentrat en sels et en matière organique, puisqu’une augmentation de la concentration en protéine a été mise en évidence. L’effet du recyclage du concentrat d’OI a aussi été étudié à différents débits et avec différentes caractéristiques. Les effets sur les performances globales du BAM ainsi que sur son colmatage ont plus particulièrement été investigués. Le taux d’abattement en termes de Demande Chimique en Oxygène (DCO) est, dans tous les cas, supérieur à 93 %, quel que soit le débit de recyclage. Des résultats similaires ont été obtenus en termes de Carbone Organique Dissous. De plus, l’efficacité de la nitrification n’a pas été affectée en présence de concentrat d’OI dans le BAM. L’analyse HPLC-SEC a révélé un pic important de concentration en composés protéiques dans le surnageant, avec des masses moléculaires comprises entre 10 et 100 kDa et entre 100 et 1000 kDa. Par conséquent, une augmentation significative du pouvoir colmatant des boues a été observée et attribuée à la présence de protéines. Par ailleurs, le recyclage du concentrait d’OI n’a pas eu d’effet sur l’élimination de la carbamazépine et du diclofenac dans le BAM. Au contraire, l’élimination du ketoprofene a légèrement baissé, en passant de 94 à 72 %. Enfin, l’effet du recyclage de concentrat d’OI sur la biodégradation a été révélé comme insignifiant, ce qui indique que le recyclage du concentrat d’OI pourrait être une bonne alternative pour réduire les concentrats d’OI et limiter leur rejet dans l’environnement.

  • Titre traduit

    Impacts of reverse osmosis concentrate recirculation on MBR performances in the field of wastewater reuse


  • Résumé

    Wastewater effluents can be treated by an integrated membrane system combining membrane bioreactors (MBR) and reverse osmosis (RO) for effective removal of micropollutants in the field of high-quality water reuse. However, discharging the RO concentrate waste stream directly into the natural environment could lead to serious problems due to the toxic components contained in the concentrates (micropollutants, salts, organic matter). A possible solution could be the recirculation of RO concentrate waste to the MBR. However, such an operation should be studied in detail since the recirculation of non-biodegradable organic matter or high concentrations of salts and micropollutants could directly or indirectly contribute to MBR membrane fouling and modification of the biodegradation activity. The effects of RO concentrate recirculation on the MBR performances were investigated in two different ways of contact, i.e. short term peak contact and long-term continuous contact at various operating conditions. The results demonstrated that after 3 hours of contact time between the sludge and concentrate, the same values of both protein and polysaccharide concentrations were found in the supernatant, compared to that at the beginning of the reactor. HPLC-SEC analysis was employed to study the effects of RO concentrate on the production of protein-like SMPs. A significant peak of protein-like substances with a molecular size of 10-100 kDa was observed immediately in the supernatant after the addition of RO concentrate. Besides, no significant change was found of the sludge fouling propensity after the injection of RO concentrate into the activated sludge. This finding proposes the opportunities to develop RO process as a tertiary treatment of the membrane bioreactor (MBR), hence, the integrated MBR - RO concept with the RO concentrate recirculation to the MBR might be a solution to treat the concentrate waste stream produced by RO. During the long-term continuous contact, the results demonstrated that the impact of the toxic flow on activated sludge depends on the recovery of the RO step and the characteristics of the concentrate but the same trends were observed whatever the organic matter and salt contents of the concentrates: the concentration of proteins increased. The effects of the reverse osmosis concentrate recirculation, at different flow rates and with different characteristics, to the MBR were investigated. Their impacts on MBR global performances, especially the MBR fouling were evaluated. The removal efficiencies of chemical oxygen demand (COD) at the different flow rates of concentrate were greater than 93%. Similar results for the dissolved organic carbon removal efficiency were found in the MBR. Additionally, the presence of RO concentrate in the MBR did not inhibit the nitrification process. HPLC-SEC analysis employed to study the effects of RO concentrate on the production of protein-like SMPs demonstrated a significant peak of protein-like substances corresponding to 10-100 kDa and 100-1000 kDa molecules in the supernatant. Thus a significant increase of sludge fouling propensity was observed, which could be attributed to the increased quantity of protein-like substances. Furthermore, the recirculation of RO concentrate to the MBR did not significantly affect the removal of carbamazepine and diclofenac in the MBR. Meanwhile, the removal rate of ketoprofen was impacted slightly by the RO concentrate recycling to the MBR (from 94 to 72%). Finally, the effect of the concentrate on sludge activity was studied and no significant effect was observed on biodegradation, indicating that the return of the concentrate to the MBR could be a good alternative for the reduction of concentrate quantities before disposal to the environment.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par INSA [diffusion/distribution] à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Impacts de la recirculation du concentrat d'osmose inverse sur les performances d'un bioréacteur à membrane pour la réutilisation des eaux usées
  • Détails : 1 vol. ([17]-182 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 166-179
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