Partie 1 : Bibliographie
3. Aération dans les BAMI – Echelle macroscopique
3.2. Efficacité de l’injection d’air : influence du débit d’air
Le débit d’air Qg est un paramètre basique pour le contrôle de l’aération. Il a un impact
notoire sur le colmatage et il doit être optimisé pour limiter les coûts de fonctionnement. De nombreux travaux ont été réalisés pour comprendre son impact dans les BAMI et le Tableau 1-4 compare quelques publications en mettant l’accent sur les paramètres opératoires des procédés étudiés.
3.2.1.
Mise en évidence d’un palier d’efficacité
Ueda et al. (1997) ont trouvé que l’injection d’air réduisait le colmatage dans leur BAMI jusqu’à un débit critique (0,7 m3.min-1) correspondant à une SAD
m de 0,25 m3.m-2.h-1. Au-
delà de cette valeur l’augmentation du débit d’air n’avait plus aucun effet sur la PTM ce qui était lié à l’efficacité d’enlèvement du gâteau de filtration. Quand Chua et al. (2002) ont filtré une suspension avec une concentration en solides en suspension volatiles (MVS) de 15 g.L-1,
Aération pour le décolmatage dans les bioréacteurs à membranes immergées pour le traitement des eaux usées : impact sur le milieu biologique et la filtration
le taux de colmatage a décru exponentiellement avec une augmentation de la vitesse superficielle de gaz de 0,02 to 0,15 m.s-1. Delgado et al. (2008) ont obtenu un comportement
similaire du taux de colmatage en fonction de l’intensité de cisaillement elle-même liée au débit d’air.
Dans une autre étude pour une concentration en MVS de 17,15 g.L-1 et une augmentation de
la vitesse superficielle de gaz de 0,02 à 0,22 m.s-1, le flux critique est passé de 10 à 23 L.m-2.h-1 (Howell et al., 2004). Cependant on retrouve encore la diminution de l’efficacité
de l’aération avec l’augmentation du débit d’air, la perte de performances est illustrée par la Figure 1-18.
Figure 1-18 : Variation du flux critique avec la vitesse superficielle de gaz (Howell et al., 2004) Ces résultats montrent l’existence d’une valeur critique de débit d’air au-delà de laquelle peu, voire aucune amélioration sur la filtration n'est atteinte.
3.2.2.
Influence de la concentration en MES et du flux de
filtration sur l’efficacité de l’aération
Germain et al. (2005) ont trouvé, pour le flux moyen de perméat, une valeur de transition comprise entre 16,5 et 22 L.m-2.h-1 à partir de laquelle l’influence de l’aération sur le
colmatage variait de manière importante dans un BAMI à fibres creuses. La gamme de flux testée allait de 5,5 à 33 L.m-2.h-1 et celle de concentration en MES de 4,3 à 13,5 g.L-1. En-dessous de cette valeur de transition, aucun impact significatif de l’aération sur le colmatage n’a été observé alors qu’au-dessus de celle-ci une forte aération a été nécessaire pour maintenir de faibles taux de colmatage à de fortes concentrations en MES (Figure 1-19).
a b c
Figure 1-19 : Taux de colmatage en fonction de la concentration en MES et du flux de filtration pour des intensités d’aérations de 0,07 (a), 0,10 (b) et 0,13 (c) m.s-1(Germain et al., 2005)
Gui et al. (2002) ont testé l’aération avec des concentrations en MES de 10 et 1 g.L-1 dans un
BAMI à fibres creuses. Son effet n’a été observé que pour la plus forte concentration. De même, Lu et al. (2008) n’ont observé un effet des variations de paramètres de bullage que lorsque la concentration en levure qu’ils ont filtré a augmenté de 3 g.L-1 à 5 g.L-1. Cela
signifierait que l’influence de l’injection d’air augmente lorsque les conditions opératoires favorisent le colmatage (fort flux de filtration, forte concentration en MES).
Il est également important de noter que certains travaux ont rapporté un effet négatif de l’aération. Dans un SMBR alimenté en eaux usées synthétiques, une forte aération (800 L.h-1,
SADm de 8 m3.m-2.h-1) a entraîné la détérioration des flocs et le relargage de colloïdes ainsi
que de solutés (Meng et al., 2008). Cet impact négatif de l’aération sur les boues a été étudié dans d’autres travaux et sera discuté dans les Partie 1 4.3.2 et Partie 1 4.3.3. Dans un module de fibres creuses tendues filtrant une suspension de levures de boulanger, Martinelli et al. (2010) ont trouvé que le débit d’air local (débit d’air redéfini en ne prenant en compte qu’une zone proche de la membrane, à 5 cm) augmentait la résistance de colmatage et réduisait donc les performances de leur dispositif de filtration. Cela a été expliqué par le fait que l’écoulement liquide horizontal induit par les bulles augmentait avec le débit d’air et augmentait la probabilité que les particules rencontrent la couche de filtration et contribuent au colmatage. Il est cependant important de noter que la concentration en MES était relativement faible avec une valeur de 0,56 g.L-1 contre environ 10 g.L-1 pour les travaux cités précédemment.
Cela confirmerait le fait que l’aération est plus efficace lorsque les conditions opératoires induisent un fort colmatage, avec un effet négligeable voire négatif lorsque les concentrations en MES sont très faibles.
Aération pour le décolmatage dans les bioréacteurs à membranes immergées pour le traitement des eaux usées : impact sur le milieu biologique et la filtration Tableau 1-4 : Effet de l’injection d’air et des conditions opératoires sur les performances de filtration
Volume de réacteur (L) Surface membranaire (m2) J
(L.m-2.h-1) (g.LMES -1) (m3.mUg -2.s-1) (mSAD3.m-2.hm -1) Observations Référence 21400 FC 88 7,9-15,4 8-12 0,0068-0,0102 0,20-0,75 Enlèvement du gâteau influencé par les variations de vitesse. Effet bénéfique de l’augmentation du débit d’air sur l’enlèvement du gâteau
jusqu’à un seuil critique au-delà duquel aucun effet n’était plus observé.
Ueda 1997 3.5 0.106 Pl 10-28 6,8-16,5 0,018-0,23 Augmentation exponentielle du colmatage membranaire avec l’augmentation de J et la diminution de Ug. Colmatage contrôlé même à de forts J avec
adaptation de Ug.
Chua 2002 93,5 FC 4 3-10 1-10 0,0062-0,043 J est le facteur clef. Aération plus efficace pour de fortes concentrations en MES. Corrélation trouvée entre colmatage, flux critique, débit d’air et
concentration en MES.
Gui 2002 9 0.1 Pl 16,9 8-10 0,005-0,025 Existence d’un plateau de vitesse tangentielle avec l’augmentation de l’intensité d’aération (max de 0,69 m.s-1 pour U
g de 0,017 m.s-1)
Sofia 2004 12700 FC 42 5,5-33 4,3-13.5 0,07-0,13
Taux de colmatage majoritairement influencé par J alors que l’aération membranaire avait le moins d’effet. Existence d’un flux de transition entre 16.5 et 22 L.m-2.h-1 au-delà duquel une forte aération est nécessaire pour maintenir un colmatage faible.
Germain 2005 12 FC 0.1 P constante 6-60
3.97 kPa 6 1,5-8
Une aération trop faible ne permet pas d’enlever les colmatant alors qu’une aération forte induit le cassage des flocs à cause du fort cisaillement imposé. Forte augmentation du colmatage liée aux petites tailles de particules.
Meng 2008 950 66,9-69,7 FC 24-44 8-12 0,12-0,46 Diminution exponentielle du ratio de colmatage avec l’augmentation de l’intensité d’aération. Indépendance entre les effets de l’intensité d’aération
et de J sur les ratios de colmatage.
Nywening 2009
90 0,032 FC 50 0,56 0,26-3,12
Faible cisaillement induit par l’injection d’air (0,25 Pa). Le débit d’air local est le facteur clef. Augmentation du transport de particules vers la membrane et donc du colmatage liés aux écoulements liquide horizontaux causés par l’injection d’air.
Martinelli 2010 FC: Fibres Creuses, Pl: Plane