Traitement des Eaux à Energie Positive par Bioréacteur à Membrane Anaérobie

par Alaa Darwich

Projet de thèse en Génie des procédés

Sous la direction de Marc Heran, Veronique Kazpard et de Geoffroy Lesage.

Thèses en préparation à Montpellier en cotutelle avec l'Université libanaise , dans le cadre de GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau , en partenariat avec IEM - Institut Européen des Membranes (laboratoire) depuis le 20-12-2018 .


  • Résumé

    Un changement de paradigme important a été amorcé au niveau des filières de traitement des eaux résiduaires. D'une situation de traitement de la matière organique et azotée, les stations d'épuration portent maintenant le nom de bio-raffinerie où de nouveaux enjeux guident la filière : • Optimiser le traitement des nutriments pour favoriser leur élimination ou leur récupération; • Générer une eau traitée de qualité pour (i) protéger la ressource et (ii) permettre une réutilisation directe ou après un post-traitement adaptée à l'application visée ; • Diminuer les consommations énergétiques liées aux besoins en oxygène pour l'oxydation des composés azotés et carbonés; • Maitriser les impacts environnementaux liés aux émissions de gaz à effet de serre et aux rejets de substances dangereuses. Le bioréacteur à membrane anaérobie (AnMBR) est un procédé clé pour atteindre l'objectifs d'un traitement d'eaux usées à énergie positive. Des méthodes innovantes de contrôle du colmatage doivent être développées dans le système AnMBR car elles présentent encore des limites en termes d'efficacité et d'économie d'énergie. L'objectif global est d'optimiser le fonctionnement de l'AnMBR afin de prouver que cette technologie est capable d'effectuer un traitement d'eaux usées domestiques à temperature ambiante et en produisant de l'énergie. Les avancées de ce projet seraient: (1) le développement d'une première expertise française sur les BRM anaérobies; (2) la compréhension des mécanismes de colmatage au sein d'un AnMBR; (3) de combiner des mécanismes de filtration et de reactions biologiques anaérobies au sein de modèles dynamiques; (4) et de prouver la faisabilité d'un traitement des eaux usées à énergie positive. Le développement de concepts de rupture appliqués au traitement intensif et la valorisation des eaux résiduaires urbaines nécessite d'adapter les modèles existants et de prolonger la vulgarisation de leur utilisation. La thèse proposée au sein du département Génie des Procédés Membranaires de l'Institut Européen des Membranes est une étude multi-échelle (de la cellule au procédé) destinée au développement d'outils d'intensification du couplage procédés biologiques/séparation membranaire. La compréhension et la maîtrise de l'activité cellulaire d'un consortium de micro-organismes au sein d'un bioréacteur à membrane nécessitent que l'on associe des connaissances et des savoirs multidisciplinaires : génie des procédés membranaires, génie biologique, microbiologie et modélisation. L'enjeu de la démarche réside dans l'identification et la caractérisation des phénomènes qui sont localisés aussi bien dans la cellule que dans le réacteur pour pouvoir ensuite proposer une représentation mathématique des mécanismes bio-physico-chimiques mises en jeu. L'intégration de ces mécanismes dans des outils de simulation dynamique devrait permettre d'améliorer la compréhension des mécanismes épuratoire et ainsi le contrôle de ces bioprocédés. Le travail proposé sera axé principalement sur les deux objectifs suivants : • Proposer un formalisme simplifié permettant de simuler les performances d'un bioréacteur à membranes d'épuration, en incluant notamment les besoins énergétiques, la production de co-produits (polymères colmatants, produits microbiens solubles) et la proudtcion de biogaz (méthane). • Développer des outils de mesure permettant :  le suivi de l'activité macroscopique (A travers des mesures de suivi de l'oxydation par voie biologique de l'azote, du carbone ou de micropolluants) ;  le suivi microscopique des bactéries (sonde capacitive, outils moléculaires, mesures enzymatiques). Cette étude associe une démarche fondamentale d'évaluation de formalismes biologiques existants face à des essais expérimentaux intégrant des outils récents développés à l'IEM de Montpellier (capteur capacitif, mesures respirométriques, fluorescence 3D, fractionnement de la matière organique dissoute). Il permettra de valider ou non les formalismes proposés, de vulgariser l'utilisation des modèles et de proposer des voies d'optimisation et d'utilisation d'abaques types pour simuler et contrôler les opérations unitaires suivantes : réaction biologique anaérobie et séparation membranaire.

  • Titre traduit

    Positive Energy Waste Water Treatment by Anaerobic Membrane Bioreactor


  • Résumé

    An important paradigm shift has been initiated in wastewater treatment systems. From a situation of treatment of organic and nitrogenous matter, wastewater treatment plants are now called bio-refineries where new issues guide the sector: • Optimize the treatment of nutrients to promote their elimination or recovery; • Generate quality treated water to (i) protect the resource and (ii) allow direct reuse or post-treatment adapted to the intended application; • Reduce energy consumption related to oxygen requirements for the oxidation of nitrogen and carbon compounds; • To control the environmental impacts related to greenhouse gas emissions and releases of dangerous substances. The Anaerobic Membrane Bioreactor (AnMBR) is a key process for achieving the goals of a positive energy wastewater treatment. Innovative clogging control methods need to be developed in the AnMBR system as they still have limitations in terms of efficiency and energy savings. The overall goal is to optimize the operation of the AnMBR to prove that this technology is capable of treating domestic wastewater at room temperature and producing energy. The progress of this project would be: (1) the development of a first French expertise on anaerobic BRMs; (2) understanding of clogging mechanisms within an AnMBR; (3) to combine filtration mechanisms and anaerobic biological responses within dynamic models; (4) and to prove the feasibility of a positive energy wastewater treatment.      The development of breakthrough concepts applied to intensive treatment and recovery of urban wastewater requires adapting existing models and extending the extension of their use. The thesis proposed in the Department of Membrane Processes Engineering of the European Institute of Membranes is a multi-scale study (from the cell to the process) for the development of tools to intensify the coupling of biological processes / membrane separation. The understanding and control of the cellular activity of a consortium of microorganisms within a membrane bioreactor requires the combination of knowledge and multidisciplinary knowledge: membrane process engineering, biological engineering, microbiology and modeling. . The challenge of the approach lies in the identification and characterization of the phenomena that are located both in the cell and in the reactor so that we can then propose a mathematical representation of the bio-physico-chemical mechanisms involved. these mechanisms in dynamic simulation tools should improve the understanding of purification mechanisms and thus the control of these bioprocesses. The proposed work will focus primarily on the following two objectives: • To propose a simplified formalism allowing to simulate the performances of a bioreactor with membranes of purification, including in particular the energy needs, the production of co-products (clogging polymers, soluble microbial products) and the proudtcion of biogas (methane). • Develop measurement tools that:  the monitoring of the macroscopic activity (by means of biological oxidation monitoring measures of nitrogen, carbon or micropollutants);  microscopic monitoring of bacteria (capacitive probe, molecular tools, enzymatic measurements). This study associates a fundamental approach of evaluation of existing biological formalisms in front of experimental tests integrating recent tools developed at the IEM of Montpellier (capacitive sensor, respirometric measurements, 3D fluorescence, fractionation of dissolved organic matter). It will validate or not the proposed formalisms, popularize the use of models and propose ways to optimize and use standard charts to simulate and control the following unit operations: anaerobic biological reaction and membrane separation.