Intérêt du couplage de procédés membranaires et d'ozonation pour le traitement des micropolluants dans les filières de traitement des eaux usées et des urines

Towards an integrated combination of membrane processes and ozonation for the removal of micropollutants in wastewater and urine

• Auteur / Autrice : Hui Deng
• Direction : Christelle Guigui, Jean-Stéphane Pic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance le 15/07/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP
• Jury : Président / Présidente : Annabelle Couvert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Guigui, Jean-Stéphane Pic, Julie Mendret, Wolfgang Gernjak, Isabelle Polaert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annabelle Couvert, Julie Mendret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tuyaux -- Incrustations

Urine

Eau -- Réutilisation

Micropolluants

Ozonation

Osmose inverse

Mots clés libres

Osmose inverse

Ozonation

Micropolluants

Réutilisation

Urine

Colmatage

Reverse osmosis

Ozonation

Micropollutants

Wastewater reclamation

Source-separated urine

RO membrane fouling

Résumé

La réutilisation des eaux usées est devenue une priorité dans le contexte du réchauffement climatique et de la rareté de la ressource. Cependant, les micropolluants n’étant pas éliminés par les technologies de traitement classiques des stations d’épuration, il est nécessaire de mettre en place des technologies avancées telles que le processus d'osmose inverse (OI) et l’ozonation afin de ramener ces composés indésirables à un niveau acceptable dans le contexte de la réutilisation. De plus, une majorité des micropolluants des eaux usées sont des composés pharmaceutiques (PhACs), et proviennent principalement des urines. La séparation et le traitement de l’urine à la source qui permettent non seulement de valoriser l’urine en récupérant les éléments nutritifs N/P, mais aussi de réduire la charge de micropolluants dans les eaux usées municipales, est une alternative de choix dans le contexte de la réutilisation et de la qualité sanitaire des eaux. L’objectif de ce travail était d’évaluer le potentiel de la combinaison de l’osmose inverse et de l’ozonation pour l’élimination des PhACs dans deux types d’eaux usées différentes (perméat de bioréacteur à membrane et urine). Les performances du procédé d’OI en traitement tertiaire après bioréacteur à membrane (BAM) ont tout d’abord été examinées en termes de colmatage et de rétention des PhACs et des paramètres de qualité d’eau classique. L’ozonation des concentrats a ensuite été réalisée. Dans un second temps, une combinaison précipitation/OI/ozonation a été étudiée pour la valorisation de l’urine en ce qui concerne la récupération du phosphore et l’élimination des PhACs.L’OI a montré une excellente capacité de rétention pour les constituants présents dans le perméat BAM, > 80% pour le carbone organique dissous (NPOC) et la conductivité, et > 90% pour les PhACs. Afin de minimiser l’impact du concentrat d’OI sur l’environnement en cas de rejet, les concentrats ont été recirculés vers le BAM et l’intérêt d’une ozonation a été étudié. Les résultats ont montré que la membrane d’OI dans le système BAM-OI présente toujours une capacité de rétention relativement stable et efficace pour les paramètres globaux de qualité de l’eau. Cependant, après le recyclage du concentrat d’OI, le flux de perméat de la membrane d’OI diminue principalement en raison d’une augmentation de la pression osmotique des ions retenus à la surface de la membrane d’OI. Les PhACs retenus dans le concentré OI peuvent être éliminés efficacement par ozonation.En ce qui concerne le traitement de l’urine, la précipitation de struvite a permis de valoriser le phosphore de l’urine. Cependant, les PhACs sont demeurés dans la solution et ont dû être traités par ozonation. L’approche a été d’étudier l’effet de la matrice dans laquelle se trouvent les PhACs sur les performances et les mécanismes d’ozonation. Ainsi une dose d’ozone supplémentaire est nécessaire pour réduire la même quantité de PhACs des solutions d’urine réelles (contenant des ions, de l'ammoniac et des matières organiques) en comparaison aux solutions salines et sans matières organiques. Ceci est la conséquence de réactions compétitives des sels, de l’ammoniac et des matières organiques avec l’ozone moléculaire.

In a context of growing water scarcity, wastewater reclamation or reuse has been increasingly recognized as an alternative source of water supply. However, trace micropollutants are not removed effectively by conventional treatment technologies in the wastewater treatment plants (WWTPs). To ensure safe reuse of municipal wastewater, it is necessary and important to establish advanced technologies such as reverse osmosis (RO) process and ozonation to reduce these non-desirable compounds to an acceptable level. In addition, a large fraction of trace micropollutants mainly referring to pharmaceutically active compounds (PhACs) in the municipal wastewater mainly originate from urine wastewater. Separation and treatment of urine at source not only provides an opportunity for urine valorisation by recovering N/P nutrients but also reduces the micropollutant load in the municipal wastewater.The objective of the present thesis is to assess the potential of the RO process and of ozonation for the emerging PhACs removal from two different types of wastewaters (municipal membrane bioreactor (MBR) permeate and urine wastewater). The performance of the RO process for MBR permeate was first examined in terms of RO membrane fouling and retention capacity for the target PhACs and for common water quality parameters. A combination of struvite precipitation, RO and ozonation was then investigated for urine valorisation with respect to P recovery and PhACs removal.The results exhibited an excellent retention capacity of the RO membrane for the constituents present in the MBR permeate, >80% for dissolved organic carbon (NPOC) and conductivity, and >90% for target PhACs. However, high rejection of the RO membrane meant that almost all the organic and inorganic substances were accumulated in the RO concentrate. In order to minimize the environmental effect of RO concentrate, ozonation of RO concentrate and the recirculation of RO concentrate to the MBR as a part of MBR influents were studied.The RO membrane in MBR-RO system still maintains a relatively stable and effective retention capacity for the global water quality parameters. However, after RO concentrate recycling, the fouling propensity of the RO membrane was enhanced in terms of RO permeate flux decline, which was mainly due to an increase of the osmotic pressure of retained ions at the RO membrane surface. In addition, ozonation was a feasible solution to manage RO concentrate. 0.8 mg consumed O3 per mg NPOC could achieve a >90% removal for the tested PhACs.With respect to the treatment of urine wastewater, struvite precipitation was successful in recovering P nutrients from the urine solutions. However, most of the target PhACs still remained in the urine effluents after the struvite precipitation and ozonation was applied for their removal. As compared to the ozonation of saline solution with ions and synthetic urine (containing ions and ammonia), a higher ozone dose was required to remove the same quantity of target PhACs from real urine solutions (containing ions, ammonia and organic matters), mainly due to the competitive reactions of salts, ammonia and organic matters with molecular ozone. In addition, the real urine containing a higher load of organic matters seemed to favour the degradation of PhACs with a second-order constant the reaction with ozone (kO3-PhACs) below 10 L mol-1 s-1.