MBR et réduction de la production de boues

2.4.3.1 MBR et SRT élevé

Le procédé de MBR est caractérisé par la possibilité d‟avoir un très long SRT avec une forte concentration de biomasse ainsi qu‟un faible taux de charge organique F/M (food to microorganisms). Ainsi, l'accroissement du SRT et de la concentration de la liqueur mixte augmentent la respiration endogène et les besoins en aération. En effet, une rétention quasi-totale ou totale de la biomasse et des métabolites grossiers dans le MBR, favorise des processus microbiens de type croissance cryptique sur des sous-produits microbiens, maintenance, lyse cellulaire, mais aussi prédation par des microorganismes supérieurs (protozoaires et métazoaires) (Low and Chase, 1999a; Wei et al., 2003; Witzig et al., 2002). Ces facteurs conduisent à une faible production de la biomasse hétérotrophe et encouragent probablement l‟acclimatation de cette biomasse ou de microorganismes supérieurs aux composantes particulaires organiques (XE

et XU,Inf) et inorganique (XIg). Certains auteurs ont souligné que l‟augmentation du SRT dans un

MBR favorise le développement de petits flocs, de bactéries libres et de colloïdes de petites tailles (Luxmy et al., 2001; Massé et al., 2006), situation qui améliore d‟une part, les cinétiques d‟hydrolyse par augmentation de la surface spécifique du floc en contact avec les enzymes (Dimock and Morgenroth, 2006) et d‟autre part, qui favorise la prédation des bactéries libres et des petits flocs par des protozoaires et métazoaires.

Les études les plus spectaculaires portant sur l‟opération des MBR à des SRTs élevés (20d à infini) ont été effectuées par l‟équipe de Pollice (Laera et al., 2007; Laera et al., 2005; Pollice et al., 2007; Pollice and Laera, 2005; Pollice et al., 2004; Pollice et al., 2008a,b). Ces études ont montré que les aspects biologiques de la biomasse développée dans ces systèmes membranaires n‟ont pas été affectés par l‟accroissement du SRT mais que les caractéristiques physiques des boues (viscosité, filtrabilité) avaient tendance à se détériorer avec un SRT croissant tout en restant dans les plages rapportées pour des systèmes conventionnels (Pollice et al., 2008b). Un SRT optimal de 80 d a été recommandé dans (Pollice et al., 2008b) sur base de la faisabilité technique, le maintien des performances du système et le coût de gestion des boues générés. Le SRT optimal recommandé correspond pour la charge organique appliquée, à des valeurs de MLSS dans la plage 8-10 g/L, suggérée pour une opération rentable des MBRs dans (Metcalf & Eddy, 2003).

En termes de réduction de boues, ces études ont toutes souligné que le procédé membranaire, opéré à un SRT élevé, était capable de réduire la production de boues. Ceci semble normal étant donné que le MBR à un SRT élevé peut être assimilé à un système conventionnel muni d‟un décanteur idéal et opéré en mode d‟aération prolongée (F/M = 0.04-0.10 g BOD/ g VSS.d (Metcalf & Eddy, 2003)). Ainsi, la production de boues est réduite davantage avec le SRT dans un MBR. La question qui se pose à ce niveau est la suivante :

Est-ce que cette réduction de boues concerne seulement la fraction active XH ou atteint également

les fractions XE et XU,Inf ?

La concentration des VSS dans le système membranaire à rétention complète de (Laera et al., 2005) est présentée sur la Figure 2.13. Les auteurs estimaient que leur système, opéré pour une période de 360 d, aboutissait à un régime stable dans lequel la charge organique restait constante (0.07 ± 0.01 g COD/g VSS/d) et émettaient l‟hypothèse de dégradation des fractions inertes dans leur système (XE, XU,Inf et XIg). Malheureusement, aucune quantification pour la dégradation de

ces fractions n‟a été présentée dans cette étude. De plus, la courbe de la Figure 2.13 montre une variation des VSS dans leur système vers la fin de l‟expérience (17.3 ± 1.1 g VSS/L). Il faut noter également que l‟affluent de leur procédé (Tableau 2.9) présentait également une variabilité significative en termes de COD, VSS et TKN. Ces considérations ne permettent pas de confirmer si une dégradation se produisait effectivement dans leur système membranaire.

Tableau 2.9- Caractéristiques d‟affluent (Laera et al., 2005)

Par ailleurs, et dans une étude portant sur l‟accumulation de boues dans des systèmes de type fill- and-draw (Washington and Hetling, 1965) alimentés en substrat soluble (acétate ou glucose) et opérés pour des périodes allant de 20 à 35 semaines, les auteurs ont montré une augmentation linéaire des VSS due à une accumulation du résidu endogène dans ces systèmes (Figure 2.14). Au début des tests, la biomasse hétérotrophe augmentait rapidement et en parallèle le résidu endogène commence à s‟accumuler dans le système. Après 5 à 6 semaines (Figure 2.14), la production journalière de la biomasse s‟équilibrait avec sa dégradation en résidu endogène et la concentration de cette biomasse atteint un niveau constant (i.e. dXH/dt = 0). À partir de ce point

d‟équilibre, une accumulation linéaire des VSS s‟observait dans ces systèmes suite à la génération et l‟accumulation du résidu endogène puisque la biomasse hétérotrophe ne changeait pas dans ces systèmes. Cette accumulation indique que le résidu endogène ne se dégradait pas dans ces systèmes. Autrement, les droites d‟accumulation des VSS auraient du se courber.

Paramètre unité Valeur Écart-type

TSS mg TSS/L 200 70 VSS mg VSS/L 160 50 COD mg O2/L 400 106 TKN mg N/L 49.3 9.5 NH4+ mg N/L 36.6 7.6 NO3- mg N/L 0.7 1.7

Figure 2.14 - Accumulation des VSS dans des systèmes fill-and-draw (Washington and Hetling, 1965)

Une troisième étude réalisée en MBR a été recensé vers la fin de notre projet doctoral qui porte sur la modélisation de la production de boues à de longs SRTs (Lubello et al., 2010). Dans cette étude, les auteurs proposent d‟introduire des cinétiques d‟hydrolyse de premier ordre pour les fractions XE et XU,Inf afin d‟arriver à modéliser la production de boues dans leur système

membranaire. Des constantes de dégradation identiques ont rapportées pour XE et XU,Inf avec une

valeur de 0.012 d-1 pour des eaux usées de tannerie et une valeur de 0.014 d-1 pour des eaux de l‟industrie de textile. Ces deux valeurs semblent assez élevées et peuvent être expliquées par quelques considérations au niveau des simulations :

- Dans leur système, les auteurs utilisaient la même valeur pour le rendement des hétérotrophes que ce soit en aérobie ou en anoxie alors que le volume anoxie représentait presque 50% de celui aérobie. S‟ils avaient considéré une valeur inférieure pour le rendement des hétérotrophes en anoxie, ils n‟auraient forcément pas été obligés d‟introduire des constantes élevées pour dégrader plus de XE et de XU,Inf en vue d‟ajuster

leur production de boues;

- Les auteurs considéraient que les deux fractions XE et XU,Inf se dégradaient dans leur

système et à un taux similaire. Cette hypothèse n‟a été démontrée nulle part dans leur approche. Il se peut que seulement XE soit dégradable dans leurs tests mais pas les deux

Les résultats des trois études réalisées en conditions aérobies (Laera et al., 2005; Lubello et al., 2009; Washington and Hetling, 1965) à des SRTs élevés, voire à des rétentions complètes de solides, que ce soit en réacteur à membranes ou dans les systèmes fill-and draw, viennent mettre en évidence l‟aspect controversé de la dégradation du résidu endogène (et du XU,Inf) en conditions

aérobies.

2.4.3.2 Système de boues activées conventionnels vs MBR

Peu d‟informations existe dans la littérature sur la comparaison des systèmes de boues activées conventionnels à ceux de MBR dans des conditions opératoires similaires (caractéristiques de l‟affluent, volume du réacteur aéré, HRT et SRT). Une seule étude qui répond à cette question a été recensée dans la littérature (Massé et al., 2006). Cette étude comparait non seulement les performances des deux systèmes mais aussi la structure des biomasses développées dans chaque procédé et ce à différents SRTs (10-110 d). Les enlèvements de la COD totale étaient de 90.8 ± 0.2% à 94.2 ± 1.6 % pour le procédé membranaire et de 87.4 ± 1.8% à 90.3 ± 0.8 % pour le procédé conventionnel. Les performances du MBR se doivent à une rétention idéale des solides mais aussi à une rétention des EPS colloïdales (polysaccharides et protéines). Cette fraction d‟EPS est acheminée vers l‟effluent dans le système conventionnel augmentant sa COD filtrable et totale. Cependant, sa rétention dans le système membranaire contribue davantage au colmatage des membranes. Au niveau de la production des boues, aucune différence n‟a été observée entre les deux systèmes opérés à un même SRT. Pour le système membranaire, le rendement cellulaire observé passait de 0.31 g VSS/ g COD à 0.13 g VSS/ g COD lorsque le SRT passait de 9 à 110 d. L‟étude soulignait que les caractéristiques des boues se détérioraient davantage dans le système conventionnel (bactéries filamenteuses, augmentation des EPS solubles). Dans le procédé membranaire, les EPS s‟accumulaient aux faibles SRTs mais avaient tendance à se dégrader lorsque le SRT augmentait. Le suivi des caractéristiques des boues du MBR montraient que l‟augmentation du SRT impliquait une décroissance dans la taille des flocs bactériens, une densification des agrégats et un développement de microorganismes à caractère non-floculant.

2.5 Procédés de digestion de boues

La digestion des boues demeure une pratique très utilisée pour la stabilisation des boues excédentaires. Cette section couvre les différents aspects de cette technique y compris les

prétraitements utilisés pour l‟améliorer. Dans la majorité des travaux de recherche, la digestion des boues a été étudiée en tant qu‟enlèvement apparent de VSS, de TSS ou de COD sans que des détails soient fournis quant aux fractions de boues dégradées dans le processus de digestion. Ceci est du au fait que la non biodégradabilité de XE et de XU,Inf était bien acceptée par presque tous

les chercheurs. Donc, tous les efforts de stabilisation des VSS se focalisaient sur l‟amélioration des procédés pour biodégrader la biomasse XH. Les SRT recommandés dans les procédés

conventionnels étaient souvent de 20 à 30 d à température ambiante, ce qui correspond à la période nécessaire à une dégradation complète de cette biomasse à 20°C dans un digesteur aérobie ou anaérobie. À l‟heure actuelle, le développement des modèles mathématiques, basés notamment sur les fractionnements de la matière organique et inorganique constituant les boues à digérer, offre la possibilité de conduire des études expérimentales sur la digestion des boues assistées par la modélisation. Cette approche permet d‟apprécier l‟effet d‟une digestion sur les différentes composantes des VSS dans les boues activées (XH, XE, XU,Inf).