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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/269951724 État actuel des connaissances des procédés de bioréacteur à membrane pour le traitement et la réutilisation des eaux usées industrielles et urbaines Article · January 2011 DOI: 10.7202/1006478ar CITATION 1 READS 359 5 authors, including: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Valorization of mine wastes from Québec by mineral carbonation View project Mobile and regenerable bio cartridge for blackwater View project Brahima Seyhi centre des technologies de l'eau 24 PUBLICATIONS 237 CITATIONS SEE PROFILE Gerardo Buelna Instituto Tecnológico de Sonora 135 PUBLICATIONS 1,457 CITATIONS SEE PROFILE Jean-François Blais Institut National de la Recherche Scientifique 299 PUBLICATIONS 4,835 CITATIONS SEE PROFILE Marc Heran Université de Montpellier 86 PUBLICATIONS 900 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Gerardo Buelna on 03 February 2015. The user has requested enhancement of the downloaded file. 1 Revue de Sciences de l’eau/Journal of Water Science (accepté, dec. 2010) État actuel des connaissances des procédés de bioréacteur à membrane pour le traitement et la réutilisation des eaux usées industrielles et urbaines State-of-the-art on the membrane bioreactor processes for urban and industrial wastewaters treatment and reuse Brahima Seyhi1, Patrick Drogui*1, Géraldo Buelna2, Jean-François Blais1 et Marc Heran 3 1 Institut National de la Recherche Scientifique (INRS-ETE), Université du Québec, 490 rue de la Couronne, Québec, Québec, Canada, G1K 9A9 2 Centre de Recherche Industrielle du Québec (CRIQ), 333 rue Franquet, Sainte-Foy, Qc, Canada, G1P 4C7 3 École Polytechnique Universitaire de Montpellier (EPUM), Université de Montpellier II Sciences et Techniques du Languedoc, Place Eugène Bataillon 34095 Montpellier Cedex 5, France. *Auteur correspondant (Tél: (418) 654-3119, Fax: (418) 654-2600, Courriel: patrick.drogui@ete.inrs.ca) Titre court: Traitement et réutilisation des eaux usées par bioréacteur à membrane 2 LISTE DES ABREVIATIONS ∆P Perte de charge µ Viscosité dynamique de la liqueur mixte A Surface membranaire AE Activité œstrogénique amax Limite surfacique maximale d’une pore APEO Alkyl phénol polyéthoxylate At Surface totale des pores BA Boue activée BHA Bactérie hétérotrophe aérobie BPA Bisphénol A BRM Bioréacteur à membrane BRMe T Bioréacteur à membrane à boucle externe avec membranes tubulaires BRMi FC Bioréacteur à membrane immergée avec membranes en fibres creuses BRMi P Bioréacteur à membrane immergée avec membranes planes CAPEX Capital expenditure ou dépenses d’investissement Cd Coefficient de la force de levée d’une particule de boue de diamètre dp CF Coliformes fécaux COD Carbone organique dissous COT Carbone organique total CT Coliformes totaux DBO Demande biochimique en oxygène DCO Demande chimique en oxygène dP Diamètre des pores de la membrane Ds Dimension de la surface du pore selon la théorie fractale E1 Estrone E1-3G Estrone-3-glucuronide E1-3S Estrone-3-sulfate E2 17β-œstradiol E2-3S Œstradiol-3-sulfate E2-G Œstradiol-17β-glucuronide EE2 17α-éthinylestradiol EH Équivalent-habitant EUD Eau usée domestique EUI Eau usée industrielle EUM Eau usée municipale EUS Eau usée synthétique F/M Rapport « Food/Microorganism » ou charge organique 3 FAA Formylalaminoantipyrine g Facteur de forme G Facteur géométrique I Intensité de cisaillement J Flux de perméat k Taux de croissance du colmatage km Coefficient qui reflète les effets de filtration L0 Constante caractérisant la longueur de pore logKow Coefficient de partition octanol/eau MBR Membrane bioreactor MCD Masse de boue de la couche dynamique de colmatage MES Matières en suspension MF Microfiltration MVES Matières volatiles en suspension NT Azote total NTK Azote total Kjeldahl OPEX Operational expenditure ou dépenses de fonctionnement, d’exploitation Pa Pression de l’alimentation Pc Pression du concentrât PE Perturbateurs endocriniens phydro Pression hydrostatique PMS Produits microbiens solubles Pp Pression du perméat ppomp Pression de succion PT Phosphore total PTM Pression transmembranaire PTFE polytétrafluoroethylène PP polypropylène PES polyéthersulfone PS polysulfone; PAN polyacrilonitrilique Q Débit à travers la membrane RC Résistance de colmatage RCD Résistances de formation de couche dynamique RG Résistance du gâteau Rirr Résistance irréversible Rm Résistance de la membrane Rrev Résistance réversible RT Résistance totale de la membrane 4 S Concentration de substrat SC Seuil de coupure de la membrane SPE Substances polymériques extracellulaires STEP Station d’épuration des eaux usées T Température tf Temps de filtration TRH Temps de rétention hydraulique TRS Temps de rétention de solides UF Ultrafiltration Vp Volume de perméat vT Vitesse d’écoulement transversale Xb Concentration de biomasse ou de MES dans le bioréacteur Yb Coefficient de compression de la boue α Résistance spécifique β Coefficient du taux d’érosion de la biomasse dynamique Δpax Chute de pression du flux de perméat θ Âge des boues 5 RÉSUMÉ Les effluents issus des stations d’épuration des eaux usées industrielles et municipales contiennent des quantités non négligeables de polluants organiques, inorganiques et microbiens qui sont rejetés dans l’environnement par voie directe ou en suivant la filière de réutilisation (irrigation ou arrosage, etc.). Ces eaux résiduaires constituent l’une des principales sources de contamination des eaux de surface et souterraine (augmentation de la DCO, coloration et eutrophisation des cours d’eaux, etc.). Dans l’optique de palier le déficit croissant des ressources en eau destinées à la consommation humaine, ces eaux résiduaires sont de plus en plus soumises à des traitements poussés en vue d’une réutilisation. Cette réutilisation doit toujours être réalisée dans l’objectif de fournir une eau présentant en continu une qualité spécifique liée à l’usage attendu (eau de production, eau de lavage, eau de refroidissement, eau d’irrigation ou d’arrosage, etc.). Les procédés conventionnels peuvent s’avérer non adaptés, notamment par leur manque de fiabilité dans la qualité des eaux traitées et le risque encouru de contamination microbiologique. Pour faire face à cette importante problématique, les techniques membranaires, notamment les bioréacteurs à membrane (BRM), peuvent constituer une avenue potentielle de traitement et de réutilisation de ces effluents. L’intérêt de ces procédés réside dans leur aspect non polluant, leur facilité d’automatisation et leur capacité à éliminer simultanément les différents polluants en une seule étape de traitement. Ces technologies offrent la possibilité de clarifier et de désinfecter simultanément les eaux sans risque de formation de composés organo-halogénés. Dans cet article, les BRM sont situés par rapport aux techniques conventionnelles de traitement biologique d’effluents. Par la suite, un accent particulier est mis sur la présentation des connaissances actuelles concernant les principes de base des BRM, les critères d’application et les conditions d’opération qui influencent les performances de ces technologies. Les développements récents portant sur la modélisation mathématique de fonctionnement et de colmatage de ces modules sont également 6 présentés. Finalement, les applications industrielles et les coûts d’implantation et d’opération de ces technologies sont brièvement discutés. MOTS CLÉS Bioréacteur à membrane, biotraitement, membrane immergée, colmatage, polluant organique réfractaire, désinfection, polluant inorganique, eau usée 7 ABSTRACT Effluents from urban and industrial wastewater treatment plants contain organic (COD, BOD, total suspended solids, endocrine disrupting compounds, e.g.), inorganic (phosphorus, ammoniacal nitrogen, nitrites and nitrates, metals, e.g.) and microbial pollutants (bacteria, virus, parasites, e.g.), which are either directly rejected into the environment or reused for agricultural purposes. These wastewaters are often responsible for pollution of surface and groundwater (increasing the COD, colourization and eutrophication of water, e.g.). In view of finding solutions for water shortage, wastewaters are more and more subjected to tertiary treatment for water reuse. The treated-wastewater reuse must be carried to supply water having a specific quality and adapted to be reused as washing water, cooling water, process water, irrigation water or sprinkling water, among others. The conventional processes can be inappropriate, notably from their inefficacy to obtain good quality of treated-water and the associated risk to microbial contamination. An alternate method can be the application of membrane bioreactor (MBR) for wastewater treatment and reuse. MBR are characterized by ease of operation, ease of automation, negligible equipments for adding chemicals and their capacity to remove simultaneously organic, inorganic and microbial pollutants in the same reactor. This technology offers the possibility to simultaneously clarify and disinfect wastewaters without any risk to form organochlorinated compounds. In this paper, MBR have been compared to conventional biological treatments. Then, a particular focus is given to the actual knowledge of MBR, criteria of application and operating conditions which greatly influence the performance of these technologies. Recent developments on the modelling of the operating process and membrane fouling have been also presented. Finally, industrial applications, operating and implementation costs have been briefly discussed. 8 KEY WORDS Membrane bioreactor, biotreatment, immersed membrane, fouling, refractory organic pollutant, disinfection, inorganic pollutant, wastewater 9 INTRODUCTION Les eaux usées industrielles (EUI), municipales (EUM) et domestiques (EUD) contiennent des quantités non négligeables de polluants organiques, inorganiques et microbiens. Ces eaux résiduaires constituent l’une des principales sources de contamination des eaux de surface et souterraine. Des stratégies de traitement efficaces devront être adoptées par les industries, les scientifiques et gestionnaires pour atteindre de manière optimale les normes de rejets qui évoluent vers une sévérité croissante aussi bien en ce qui concerne les concentrations en polluants que les débits. Par exemple, pour les rejets en milieu naturel des EUD, il a ainsi été défini des zones dites normales, pour lesquelles le traitement est principalement axé sur l’élimination des fractions particulaires et des pollutions carbonées, et des zones dites sensibles, pour lesquelles une élimination complémentaire des fractions azotées, phosphatées et uploads/Science et Technologie/ 2011-rse-jws-accept.pdf