Traitement des eaux usées domestiques à faible consommation énergétique par bioréacteur à membrane anaérobie à boues granulaires (G-AnMBR)

Granular anaerobic membrane bioreactor (G-AnMBR) for low-energy domestic wastewater treatment

• Auteur / Autrice : Lucie Sanchez
• Direction : Marc Héran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Steyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Héran, Jean-Philippe Steyer, Christelle Guigui, Pierre Buffière, Xavier Litrico, Geoffroy Lesage, Gaétan Blandin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christelle Guigui, Pierre Buffière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biogaz

Biomasse

Eaux usées

Bioréacteurs

Méthanisation

Mots clés libres

Digestion anaérobie

Bioréacteur à membrane

Eaux usées domestiques

Biomasse granulaire

Colmatage membranaire

Biogaz

Anaerobic digestion

Membrane bioreactor

Domestic Wastewater Treatment

Granular biomass

Membrane fouling

Biogas

Résumé

Le bioréacteur à membrane anaérobie à biomasse granulaire (G-AnMBR) est un bioprocédé prometteur pour le traitement des eaux usées domestiques à énergie positive grâce à l’association entre le traitement biologique anaérobie, la biomasse granulaire et la séparation membranaire du type ultrafiltration. Si elle est bien exploitée, la synergie entre ces trois technologies permettrait la mise en place de systèmes de traitement non seulement efficaces, mais aussi autonomes en énergie, peu coûteux, nécessitant peu de maintenance, peu de ressources externes et permettant l’obtention d’une eau usée traitée potentiellement réutilisable. Néanmoins, l’applicabilité du G-AnMBR au traitement des eaux usées domestiques est freiné par la difficulté à atteindre un bilan énergétique positif (i.e. activité biologique moindre à température ambiante, perte de méthane dissous dans l’effluent de sortie, effluent dilué) et à appliquer des flux de filtration élevés en raison du colmatage membranaire. Ainsi, l’objectif global de cette thèse est d’étudier une nouvelle configuration de G-AnMBR afin de (i) maximiser la conversion de la matière organique en méthane et de minimiser les consommations énergétiques.Ce G-AnMBR intègre une digesteur anaérobie granulaire de type UASB, une membrane d’ultrafiltration immergée directement dans le lit de granules et ne dispose pas d’injection de biogaz pour la gestion du colmatage. Il s’agit de démontrer l’intérêt de ce procédé innovant, par rapport à un réacteur anaérobie classique (UASB), en termes de qualité d’effluent et de production d’énergie. L’étude a révélé la capacité du G-AnMBR à satisfaire de meilleures performances de traitement et à augmenter la proportion de matière organique transformée en méthane, résultant en un bilan énergétique positif de 0,58 kWh produit par m3 d’eau traitée.Les phénomènes de colmatage ont été étudiés grâce au fractionnement par taille de la liqueur mixte associé à des tests de filtration. La fraction du surnageant (dp < 0,125 mm) a été identifiée comme jouant un rôle prépondérant dans le colmatage des G-AnMBR, contrairement aux granules (dp ≥ 0,125 mm) dont l’effet était négligeable. Les interactions entre les granules et les composés constituants le surnageant diminuent l’intensité et la vitesse du colmatage, démontrant l’intérêt d’utiliser la biomasse granulaire.L’impact de l’intensification du procédé et des changements des conditions opératoires (flux, charge organique et temps de séjour) sur les performances de traitement, la production de biogaz et les coûts d’investissement et d’exploitation du G-AnMBR a été évalué. L’intensification du procédé est techniquement possible puisque de hauts rendements d’élimination de la DCO ont été atteints (~90%) et 70-77% de la DCO a été convertie en méthane. Il a été démontré que le flux de filtration le plus économiquement intéressant était un flux intermédiaire (4,1 LMH). Il est question de ne pas sous-utiliser les membranes pour éviter le surinvestissement, mais de ne pas appliquer non plus des flux de perméation trop importants, auquel cas le colmatage membranaire entraînerait des coûts supplémentaires excessifs (lavage chimique, énergie, maintenance, changement des membranes).Ainsi, ces travaux de thèse ont mis en évidence le fort potentiel du G-AnMBR à membrane immergée et sans injection de biogaz pour le traitement des eaux usées domestiques à température ambiante et suggère une application en traitement décentralisé.

Granular Anaerobic Membrane Bioreactor (G-AnMBR) is a promising bioprocess for energy-positive domestic wastewater treatment through the combination of anaerobic digestion, granular biomass and ultrafiltration membrane separation. If properly exploited, the synergy between these three technologies would allow the implementation of treatment systems that are both efficient, energy self-sufficient, low-cost, low-maintenance and low-resource and with a potential for wastewater reuse. Nevertheless, the applicability of G-AnMBR to domestic wastewater treatment is hampered by the difficulty of achieving a positive energy balance (i.e. lower biological activity at ambient temperature, loss of dissolved methane within the effluent, low organic loading rate) and sustaining high filtration fluxes due to membrane fouling. Thus, the overall objective of this thesis is to study a new G-AnMBR configuration in order to (i) maximize the conversion of organic matter into methane and (ii) minimize energy consumption.This G-AnMBR integrates a granular anaerobic digester (UASB type), an ultrafiltration membrane immersed directly in the granular bed and does not have a gas sparging for fouling mitigation. The aim was to demonstrate the interest of this innovative process, compared to a conventional anaerobic reactor (UASB), in terms of effluent quality and energy production. The study revealed the ability of the G-AnMBR to meet better treatment performance and to increase the organic to methane conversion rate, resulting in a positive net energy balance of 0.58 kWh produced per m3 of treated water.Fouling mechanisms were studied by size fractionation of the mixed liquor associated with filtration tests. The supernatant fraction (dp < 0.125 mm) was identified as key driver in G-AnMBR fouling, in contrast to the granules (dp ≥ 0.125 mm) whose effect was negligible. Synergetic interactions between granules and compounds of supernatant lead to a decrease in both fouling intensity and fouling rate, demonstrating the benefit of using granular biomass.The impact of process intensification and changes in operating conditions (i.e. filtration flux, organic loading rate and hydraulic retention time) on treatment efficiencies, biogas production and capital and operating expenditures of the G-AnMBR was evaluated. The intensification of the process is technically feasible as high COD removal efficiencies were achieved (~90%) and 70-77% of the COD was converted to methane. The most economically attractive permeate flux was shown to be an intermediate flux (4.1 LMH). Membranes should not be underutilized to avoid overinvestment, but the permeate flux cannot be too elevated, otherwise membrane fouling leads to excessive additional costs (chemical washing, energy costs, maintenance costs, membrane change).Thus, this research has highlighted the high potential of G-AnMBR with submerged membrane and without biogas sparging for the treatment of domestic wastewater at ambient temperature, and suggests an implementation in decentralized treatment.