Caractérisation du colmatage et de l'hydrodynamique dans les bioréacteurs à membranes : influence de la configuration du module et de l'aération

par Samuel Pollet

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l'environnement

Sous la direction de Corinne Cabassud et de Christelle Guigui.

Soutenue en 2009

à Toulouse, INSA .

mots clés

• Aération
• Bioréacteurs à membrane
• Vitesse superficielle du gaz
• Rétention gazeuse
• Relaxation
• Hydrodynamique
• Bioréacteurs
• Encrassement
• Eaux usées -- Épuration -- Procédé des boues activées

Résumé

L’objectif est de caractériser le colmatage et l’hydrodynamique dans un bioréacteur à membranes (BAM) avec recirculation, constitué de modules membranaires externes, en lien avec leur géométrie et l’aération. Cinq modules contenant des fibres creuses libres sont comparés à mêmes vitesses superficielles de gaz (0 0,154 m. S 1), de liquide (0 0,038 m. S 1) et flux de perméat (10 50 L. H 1. M 2). Des analyses de distribution des temps de séjour (DTS), des mesures de rétentions gazeuses et des enregistrements vidéos sont couplés à l’étude du colmatage afin le relier à l’hydrodynamique. Les analyses DTS mettent en évidence deux zones de mélange : une zone piston à la base du faisceau de fibres et une zone parfaitement mélangée dans la partie supérieure. Lorsque le débit de gaz augmente, l’écoulement gaz liquide passe d’un régime homogène de fines bulles à un régime hétérogène avec coalescence des bulles. L’influence de la géométrie montre que plus la densité de fibres est faible, plus la vitesse superficielle de gaz à laquelle cette transition a lieu est élevée. Lors de la filtration de suspensions de bentonite, une augmentation de la vitesse superficielle du gaz et une diminution de la densité de fibres limite le colmatage particulaire. Durant la filtration de surnageant de boues activées réelles, le rôle des macromolécules de type protéines dans le colmatage des membranes est mis en évidence. La filtration d’effluents réels avec une relaxation toutes les 7,5 min et une aération continue (0,026 Nm3. H 1. M 2) est un protocole de filtration prometteur afin de garder une pression transmembranaire et des vitesses de colmatage modérées, améliorant ainsi les performances des BAM

Titre traduit

Fouling and hydrodynamic characterisation in membrane bioreactors : influence of module configuration and aeration

Résumé

The objectives of this thesis are to characterise fouling and hydrodynamic linked with module configuration and aeration in membrane bioreactors with recirculation for wastewater treatment. Five external modules with free hollow fibres have been compared with identical superficial gas velocities, between 0 and 0,154 m. S 1, liquid velocities (0 0,038 m. S 1) and permeate fluxes from 10 to 50 L. H 1. M 2. Residence time distribution (RTD) analyses, gas hold up measurements and video records have been coupled with fouling characterisation to link it with hydrodynamic. According to RTD analyses, the modules are divided in two mixing zones: a plug flow reactor at the bundle bottom and a perfect mixing cell at the top. When the air flowrate is increased, gas liquid flow changes, from an homogeneous regime with small bubbles to an heterogeneous regime with bubble coalescence. Concerning the module configuration, the highest the fibre packing density, the highest the transition gas velocity. During filtration of bentonite suspensions, an increase of superficial gas velocity coupled with a decrease of packing density enhances filtration performances by reducing particular fouling. Concerning the filtration of activated sludge supernatant, the role of macromolecular protein like substances in fouling is underlined. The filtration of activated sludge with relaxation periods every 7,5 min and a continuous aeration (0,026 Nm3. H 1. M 2) is a promising filtration method to limit high transmembrane pressures and fouling velocities in order to enhance membrane bioreactors performances