Bioréacteurs à membranes à configuration externe : influence de la configuration du procédé sur la structuration des matrices biologiques et le colmatage des membranes

Side-stream membrane bioreactors : influence of flow conditions on sludge properties and membrane fouling

• Auteur / Autrice : Marlène Stricot
• Direction : Corinne Cabassud, Mathieu Sperandio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Biothérapie

Réacteurs à membrane

Bioréacteurs

Mots clés libres

Colmatage

Structuration des agrégats

Molécules inhibitrices

Configuration externe

Résumé

Ce travail est une contribution à l’étude des bioréacteurs à membranes dans le domaine du traitement des eaux résiduaires industrielles. L’objectif principal est de comparer l’impact de deux modes de filtration en configuration externe sur (1) la structuration des matrices biologiques, (2) le colmatage membranaire et (3) les performances globales des systèmes étudiés. Deux configurations de bioréacteurs ont été comparées : filtration interne/externe tangentielle avec forte vitesse de liquide (5 m. S-1) et filtration externe/interne semi-frontale avec faible vitesse de liquide (< 0,1 m. S-1). L’effet de la configuration (géométrie – hydrodynamique) sur les propriétés structurelles et physico-chimiques du milieu biologique a été évalué à court et à long terme. Ainsi, des différences nettes ont été observées en termes de structures et morphologies des agrégats mais également de qualité des surnageants (DCO, protéines, polysaccharides). L’influence de la composition de la liqueur mixte sur le potentiel colmatant des boues issues des deux réacteurs et sur les dynamiques de colmatage in situ a également été étudiée. Plus précisément, le rôle spécifique des matières solubles, des exo-polymères et des colloïdes a été mis en évidence. L’effet de molécules inhibitrices sur l’activité biologique et sur le colmatage membranaire a par la suite été analysé. Enfin, les performances globales des deux bioréacteurs à membranes opérant sur le long terme ont été caractérisées. Les efficacités d’élimination des matières organiques et des molécules aromatiques inhibitrices ainsi que les productions de boues des deux procédés ont été comparées.

This study describes and analyses the impact of two side-stream membrane bioreactors on (1) the structure and the morphology of the biological aggregates, (2) fouling mechanisms and (3) global performances of the two processes. Two side-stream membrane bioreactors which generate very different shear stresses were compared. The first one was operated in an inside/out crossflow filtration mode with a high liquid velocity (5 m. S-1). The second reactor was working in an outside/in hollow fibre filtration mode with a low liquid velocity (< 0,1 m. S-1). Firstly, the effect of the configuration, in terms of filtration mode and hydrodynamics, on the sludge properties has been characterised for the two reactors. The investigation of the structuration mechanisms and supernatant quality reveals clear differences as well on bioflocs morphology/structure as on supernatant composition (COD, proteins, polysaccharides). The role of soluble /colloidal organics and more specifically of proteins and polysaccharides on (a) fouling ability of the sludge and (b) in situ short term fouling was underlined. The effect of toxic compounds on biological activity and membrane fouling was specifically characterised. At least, global performances of the two bioreactors in long term operation time were studied. The water treatment efficiency, in terms of organics and toxics removal, as well as sludge production of the two processes, was compared