Etude de la viabilité et de la réactivité d'une biomasse épurative de Bioréacteur à membranes

Study of activated sludge viability and reactivity in membrane bioreactor (MBR)

• Auteur / Autrice : Farshid Pajoum Shariati
• Direction : Alain Grasmick, Marc Héran, Mohammad Hossein Sarrafzadeh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 12/12/2012
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Claire Albasi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Grasmick, Marc Héran, Mohammad Hossein Sarrafzadeh, Claire Albasi, Babak Bonakdarpour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Albasi, Babak Bonakdarpour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées -- Épuration

Respirométrie

Réacteurs à membrane

Bioréacteurs

Mots clés libres

Modèle boue activée

Respirométrie

Colmatage

Biomasse active

Capteur biomasse capacitif

Activated sludge model

Respirometry

Fouling

Activ biomass

Capacitiv sensor for biomass

Résumé

Les règlements plus stricts pour les rejets d'eaux usées présentent de nouveaux défis technologiques pour le traitement d'eaux usées urbaines et industrielles. Le besoin notamment d‘améliorer la qualité hygiénique de l'eau traitée se fait ressentir en cas de sites sensibles ou de réutilisation. Le bioréacteur à membranes (BRMs) représente une des approches les plus innovatrices pour éviter la présence d'agents pathogènes dans l‘eau en sortie de station. En utilisant des membranes avec un seuil de coupure dans la gamme 0.04~0.2 μm, les bactéries mais aussi les virus sont pratiquement complètement retenus. Si l'encrassement membranaire reste un problème déterminant pour le développement des BRMs, le manque d‘outils de caractérisation en ligne de la qualité et la quantité de biomasse active dans les réacteurs reste un point important pour favoriser le contrôle et l‘optimisation des BRMs. Dans cette étude une méthode originale a été développée pour évaluer la viabilité des boues activées présentes dans un réacteur biologique d‘épuration en complémentarité des informations données par la mesure d'activité respirométrique. Cette méthode permet la distinction entre cellule morte et vivante, la respirométrie pouvant alors distinguée la part active de la biomasse vivante. Le travail expérimental a été conduit dans deux réacteurs biologiques de type chenal d‘oxydation équipés de membranes immergées "airlift oxidation ditch membrane bioreactor" (AOXMBR). Les modules membranaires sont immergés dans un zone aérée où l‘apport d‘air permet à la fois la circulation d‘eau par air-lift, l‘aération du milieu et le nettoyage des membranes par aération. Les essais ont été conduits en mode fermé (batch reactor), alterné (fed batch reactor) et continu. La première partie de l‘étude concerne la caractérisation hydrodynamique du réacteur déterminante en terme de conformité du système pour la circulation des fluides, l‘intensité des transferts et des réactions d‘épuration. Les résultats mettent en avant le rôle de la géométrie de l‘airlift sur la circulation des fluides mais aussi la rétention gazeuse déterminante en terme de transfert d‘oxygène et capacité de nettoyage des membranes. La viabilité et l'activité respirométrique de boues activée ont alors été étudiées sous différentes conditions opératoires. Les résultats ont montré une évolution semblable des deux paramètres en fonction des conditions imposées. Ceci confirme l‘intérêt de la mesure de viabilité qui peut être conduite en ligne sur le système, à la différence de la mesure par respirométrie qui nécessite une procédure spécifique plus ou moins complexe. Toutefois, les essais ont montré aussi qu‘une concentration en biomasse importante était nécessaire dans le bioréacteur pour que la viabilité soit mesurable. Les résultats ont aussi montré que la viabilité et l'activité augmentent avec la charge organique (Cv). Cette variation était conforme à l'augmentation des matières volatiles en suspension MVS et de la vitesse de consommation d‘oxygène OUR. Lors de diminution de charge organique, la concentration de protéine dans le milieu a changé inversement avec la viabilité de la biomasse. De possibles améliorations de l'instrument de mesure en ligne de la viabilité et de l'activité de boues activées dans les bioréacteurs sont également discutées. Les performances épuratives mesurées ont confirmé la grande capacité épuratoire d‘un BRM, toutefois, travailler à très forte charge engendre une dynamique de colmatage intense qu‘il faut maîtriser.

In this study a novel method was developed to assess the viability of activated sludge present in a biological treatment process and signify its complementarity from respirometric activity. This method allows the distinction between viable vs. dead and inactive vs. active microbial cells in biomass population and can be used for a better and more efficient control of the biological activity especially in MBR systems.For this purposed two airlift oxidation ditch membrane bioreactors (AOXMBR), were designed and constructed. They were equipped with flat sheet, membranes directly immersed in the airlift section where the air injection induced sludge aeration, water circulation and continuous membrane cleaning.To evaluate the relevance of the batch, fed-batch and AOXMBR) were carried out in order to obtain a better understanding of biomass characteristic for MBR performance.Firstly, for determining the treatment capacity of the proposed AOXMBR is important to understanding of the hydrodynamic characteristics of the system. And impact of design parameter on hydrodynamic characterization of the system was investigated. The results showed the gas holdup and liquid velocity increased with increase in superficial gas velocity and decrease in distance from aeration zone. Furthermore, gas holdup and liquid velocity in downcomer section did not show any significant variations with change in the top to bottom clearance ratio. The riser gas holdup data was related to the superficial gas velocity and the top to bottom clearance ratio data. Also, the downcomer gas holdup was related to superficial gas velocity and distance from airlift section.Secondly, viability and respirometric activity of activated sludge under different activated sludge conditions (batch, fed-batch) at high cell density as the model of membrane bioreactors were investigated. The results showed the same downward trend for both these parameters (viability and respirometric activity) which was due to quantitative and qualitative changes in the microbial culture in the activated sludge. Based on different fed of substrate for each experimental run (batch, fed-batch), operational variables showed significant influence in viability and activity of activated sludge. Also, the effect of changing physicochemical condition.on viability and respirometric activity was investigated. The results showed that respirometric activity was affected more strongly by temperature than viability.Thirdly, biological performance of AOXMBR was carried out.Finally, base on data obtained in the last experiment, in this part the capacitance sensor used as the on-line monitoring of viability of activated sludge in AOXMBR. Results showed that viability and activity were increased with organic loading rate (OLR) increasing until 5 kg COD m-3 d-1. This variation was in accordance with increasing of MLSS, MLVSS and OUR. The results also showed that the viability of biomass decreased when reducing the organic loading rate from 5 to 4 kg COD m-3 d-1. Also, protein concentration in system changed inversely with activated sludge viability.The possible reasons are discussed for future improvements online instrument for measuring viability and activity of activated sludge in biological wastewater. Summary of the principal results and novelty of this thesis obtained in this study: The porposed system would reward improved efficiency across the oxidation ditch, airlift and membrane bioreactor. The AXOMBR is a suitable system for operating at high organic laoding rate. However, the suddenly reduction of OLR affects on viability of activated sludge. The specific characterization of the system is capable of working at three different zone: aerobic, anoxic and anaerobic zone. Also, the time of operating at each zone can be changed with superficial gas velocity top to bottom clearance.