Dimensionnement d'un bioréacteur à membranes

 
Dans cette partie, nous nous attacherons à dimensionner un bioréacteur à membranes permettant de traiter les eaux usées provenant du réseau d'assainissement précédemment étudié. Cette page s'articulera selon les titres suivants :
 
 
 
 
 

1. Introduction


 
Nous avons  pour objectif principal de dimensionner une station d’épuration capable de traiter les eaux usées issues de l’île avec des techniques particulières. Selon le site de Veolia Environnement, Veolia Eau a remporté le contrat de traitement et de recyclage de l’eau sur l’île de Palm Jumeirah. Selon l’article parut le 15/01/2008 sur le site : « Dans un objectif d’optimisation du cycle de l’eau sur l’île, une grande partie des eaux usées générées par la forte activité touristique sera recyclée pour l’irrigation, l’arrosage des espaces verts et pour les installation de production d’air conditionné.[…] Veolia Eau Solutions & Technologies (WWS) a mis en œuvre la technologie de filtration membranaire Biosep®. […] L’installation de recyclage aura à elle seule une capacité de traitement de 17000 m3/jour. » [1] Nous sommes  en présence d’une station d’épuration ne gérant pas totalement les eaux usées en provenance de l’île. Cependant, notre but étant d’étudier les impacts de l’île, nous dimensionnerons ce procédé Biosep en se rapprochant de celui existant mais pour une capacité de traitement de 20000 m3.
 
 
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2. Procédé Biosep®.


 
2.1. Description générale du procédé
 
Ce procédé se fait en deux étapes majeures : un traitement biologique par aération pour éliminer les pollutions carbonées, azotées et phosphorées, puis une filtration membranaire pour séparer les boues de l’eau épurée. Les membranes sont de types « fibres creuses », leur seuil de coupure est situé à la frontière de l’ultra et de la micro-filtration.[2]
Les fibres sont agencées en modules qui peuvent être assemblés eux-mêmes pour former une casette. Les membranes permettent une rétention absolue de la biomasse à l’intérieur du système et donc la maîtrise de l’âge des boues. L’âge des boues correspond au temps de séjour des boues dans le réacteur. Des rétro-lavages réguliers sont effectués pour déstabiliser le gâteau qui s’est formé sur les parois et ainsi éviter un colmatage trop important [3].
 
 
Figure 1. Bioréacteur avec modules immergés. Source: Site de Veolia water
 
Pour mieux comprendre le procédé Biosep®, nous allons vous détailler cette filière innovante à savoir la succession des étapes suivantes : le dégrillage, l'aération et la filtration.
 
2.2 Dégrillage
 
Le dégrillage est la première étape du traitement des eaux usées. Il permet la filtration de ces eaux à travers une grille de maillage variable. 

Figure 2 : Photo du dégrillage. Source : http://www.veoliawaterst.com/lib/vws/7/CFA725S2m4X6cgPiE448v8TM.jpg

 
Ainsi, il récupère les matériaux et grosses particules permettant de protéger les ouvrages en aval contre l'arrivée de ces objets susceptibles de provoquer des obstructions dans les différentes parties de l'installation. De plus, il rend plus efficace les traitements suivants car ils ne sont pas gênés par ces matières grossières et s'appliquent donc directement sur l'eau.
 
Le dégrillage est divisé en trois catégories selon l'écartement des barreaux de la grille :
  • le prédégrillage (écartement > 40 mm)
  • le dégrillage moyen (pour un écartement entre 10 et 40 mm)
  • le dégrillage fin (pour un écartement < 10 mm)
 
Dans notre cas, Veolia utilise un dégrillage fin de 2mm pour l’île de Palm Jumeirah.
Une fois les déchets stoppés par la grille, il faut les remonter. On opte généralement par une remontée mécanique à l’aide d’un peigne. Celui-ci remonte le long de la grille emportant avec lui les déchets qui vont se déverser dans une benne.Ce peigne fonctionne de façon discontinue. A Dubaï, le dégrillage est munis d’un indicateur permettant de savoir la quantité de déchets que la grille a stoppée depuis le dernier passage du peigne. Ce dernier se déclenchera lorsque cette quantité dépassera un certain seuil.
 

Figure 3 : Schéma du fonctionnement du dégrillage. Source : Memento technique de l’au tome 2.

Après cette première étape, les eaux usées sont débarrassées des particules supérieures à 2mm. L'eau en aval de la grille pourra subir le traitement par le procédé Biosep®. Le bioréacteur utilisé est un bioréacteur à membranes immergées c'est-à-dire que les membranes sont directement immergées dans les bassins contenant les boues biologiques et le perméat est soutiré par aspiration.
 
2.3. Traitement biologique par aération
 
Ce traitement biologique est la première des deux étapes du procédé Biosep®.

L’eau brute est introduite dans un bassin biologique. Ce bassin est aéré et permet d’éliminer les pollutions carbonée, azotée et phosphorée.
 
Pour la pollution azotée, il est nécessaire de suivre une étape de nitrification et de dénitrification afin d’éliminer tout l’azote. Le bassin, avec une aération séquencée, permet de donner au bassin une zone d’anoxie pour la dénitrification et une zone aérobie pour la nitrification.
Pour l’élimination du phosphore, on utilise des microorganismes qui assimilent ce phosphore. Cela nécessite une zone d’anoxie pour la dénitrification et une zone aérobie pour la nitrification.[10]
 
A l’issu de ce traitement biologique, les pollutions carbonée, azotée et phosphorée sont éliminées laissant place à une production de biomasse. Cette biomasse sera éliminée sous forme de boue au fond du bassin biologique.
 
La filtration membranaire arrive par la suite.
 
2.4. Filtration membranaire
 
Elle assure la séparation entre boue activée et eau épurée : l'eau traitée est aspirée par une pompe sous de faibles pressions. La boue arrêtée par la membrane forme un gâteau sur la face externe de la membrane. La boue en excès est directement extraite du bassin biologique pour être ensuite déshydratée. La filtration maintient également les microorganismes dans le bioréacteur. Ainsi, les microorganismes n'auront pas besoin d'être renouvelés comme dans le cas d'un bioréacteur classique où ils sont éliminés par décantation.

Le maintien des performances de la filtration membranaire a une grande importance dans le procédé. Il repose sur différentes fonctions automatisées permettant de décolmater et de nettoyer les membranes : lavage à contre-courant , injection d'air et nettoyage chimique.
 
- Phase de filtration
L'eau est filtrée de l'extérieur vers l'intérieur des fibres sous l'effet d'une différence de pression créée par la hauteur d'eau au dessus des membranes,  complétée par une pompe d'aspiration.

- Phase de rétrolavage
La maîtrise du colmatage du système s'appuie sur l'utilisation extensive des membranes (faible pression transmembranaire) et par la mise en oeuvre de conditions opératoires adaptées au traitement (agitation par l'air de balayage et rétro lavage).

Ainsi, deux canalisations permettent l'extraction de l'eau filtrée, une troisième, l'arrivée d'air de lavage.
 

Figure 4 : Phase de filtration et de rétrolavage. Source : Veolia eau. http://www.veoliaeaust.com/reference/4289.htm

- Les membranes
Les membranes sont des fibres creuses polymériques qui présentent une très bonne résistance mécanique. Leur seuil de coupure est intermédiaire entre la microfiltration et l'ultrafiltration.
 

Figure 5 : Visualisation des membranes creuses. Source : PDF : http://www.canadiangreenhouseconference.com/talks/2005/2005-TKw-Sherman.pdf

 

Figure 6 : Zone de filtration du procédé. Source : PDF http://www.canadiangreenhouseconference.com/talks/2005/2005-TKw-Sherman.pdf

 
A l'issu de cette filtration, l'eau aspirée pourra donc être rejetée dans le milieu naturel sans causer d'impact significatif sur l'environnement.
 
2.5. Objectifs du procédé
 
- Qualité de l'eau
 La qualité de l'eau obtenue est conforme aux exigences environnementales. Biosep™ élimine efficacement les pollutions carbonées et azotées ainsi que la quasi-totalité des MES. La désinfection de l'eau épurée est assurée par l'étape intégrée de filtration membranaire. 
Les eaux rejetées par l’île de Palm Jumeirah seront utilisées en grande partie pour l’irrigation, l’arrosage des espaces verts et pour les installations de production d’air conditionné.

 
- Performance en terme de rapidité et gain de place
Par rapport à une filière de traitement classique, la filière de traitement biosep® ne possède que deux grandes étapes. Cette optimisation permet d’augmenter considérablement la vitesse de traitement des eaux. De plus, cette station d’épuration peut s’implanter  dans un endroit plus restreint qu’une station d’épuration classique (élimination des grands bassins de décantation, de filtration sur sable...)
 

Figure 7 : Deux filières de traitement des eaux. Source : Site de Veolia Eau [2]

- Diminution des nuisances
 La devise du procédé Biosep® est « Ne rien voir, Ne rien sentir, Ne rien entendre ». Le site peut donc être implanté dans n’importe quel endroit puisque sa conception innovante et optimisée en fait un ouvrage compact, sans nuisances olfactives, sonores et environnementales.
 
Après cette présentation du procédé Biosep®, nous allons donc dimensionner notre station d'épuration c'est-à-dire un bioréacteur où s’effectue le traitement biologique et la filtration membranaire. [2]
 
 
 

3. Dimensionnement du traitement biologique et de la filtration membranaire.


 
Afin de comparer différentes caractéristiques pour le bioréacteur, nous avons créé une feuille Excel pour ce dimensionnement :
 
Figure 8. Image du calculateur excel. Source: Personelle.
 
Ici, vous pouvez télécharger ce calculateur Excel: Feuille Excel de dimensionnement ( format .xls )
 
Ce dimensionnement se fait en trois étapes, il nous faut calculer le volume du réacteur,  la quantité d'oxygène à fournir pour l'aération et enfin le nombre de modules membranaires en définissant leurs caractéristiques.
 
Il faut tout d'abord fixer les données en entrée, voici un tableau récapitulatif issu des parties précédentes:
Tableau 1. Données en entrée du réacteur concernant le débit et les polluants contenus dans les eaux usées. Source: Voir Recueil de Donnée
Explications des termes :
MES : Matière en suspension.
Il s’agit de l’ensemble des matières solides insolubles contenues dans une eau usée. Pour calculer la quantité de ces solides dans une eau, on la filtre puis  on pèse
la masse du résidu après avoir séché le filtre en étuve.
MVS :  Matière volatile en suspension.
La matière volatile en suspension est la matière en suspension susceptibles d’être volatilisé à 550 °C.
DBO : Demande biochimique en oxygène.
La demande biochimique en oxygène est la quantité d’oxygène consommée (dans des conditions particulières) par les micro-organismes présents dans l’eau.
DCO : Demande chimique en oxygène.
La demande chimique en oxygène est la quantité d’oxygène consommé par les matières présentes dans l’eau et oxydables dans certaines conditions.
 
Nous nous fixons ensuite des valeurs de rejet. Ces valeurs doivent être inférieures aux normes fixées par le pays mais nous n'avons malheureusement pas pu avoir accès aux données. Il est cependant presque sûr que ces rejets sont inférieurs aux normes car cette technique est l'une des meilleurs disponibles sur le marché et Veolia revient toujours sur le fait que les quantités de polluants restantes sont bien inférieures aux normes habituelles.
 
Tableau 2. Données en sortie du réacteur concernant les polluants contenus dans le perméat. Source: [4]
 
Les formules n'étant pas précisées dans la suite, voici un document PDF téléchargeable où sont indiquées toutes les étapes de calcul: Etapes calculatoires
 
3.1. Calcul du volume du bioréacteur
 
Pour calculer le volume du réacteur, il nous faut déterminer l'âge des boues ainsi que la concentration en biomasse optimal en régime permanent.


En temps normal, des tests sont faits pour chaque réacteur pour connaître la valeur précise de la concentration en biomasse en régime permanent. Voici un exemple de graphe que l'on peut optenir:

Figure 9. Evolution de la bimoasse dans un bioréacteur quelconque. Source: [5]
Nous voyons sur ce graphe que la concentration en biomasse devient quasiment constante au bout d'une dizaine de jours dans le réacteur et vaut ici environ 4 g/L .
 
Dans notre cas, nous n’avons pas de renseignements détaillés, nous allons donc choisir parmis une fourchette de valeures donnée. Dans la majeure partie des documents, la concentration varie entre 8 et 20 g/L. Nous allons donc comparer ces deux limites. Concernant le temps de séjour, les valeurs classiques s’échelonnent entre 10 et 30 jours.
 
Avec la donnée de l’âge des boues , nous pouvons calculer le rendement de production des boues. Il est  normal de tracer une courbe du rendement de production des boues et fonction de leurs âges. Les paramètres à définir pour tracer une telle courbe sont les taux de décès et de maintenance de cette biomasse. D’après un article des Techniques de l’ingénieur concernant les bioréacteurs à membranes [6], nous choisirons un taux de décès valant 0,04 j-1 et un taux de maintenance de 0,44 gMVS/gDCO.
 
Voici la courbe de rendement de production des boues obtenue dans ce cas:
 
Figure 10. Evolution du rendement de production des boues. Source: Personnelle.

Selon notre fourchette d’âge de boue, le rendement de production des boues va varier de 0,31 à 0,20 gMVS/gDCO.

Nous pouvons ensuite calculer le débit de boue produit avec une concentration en biomasse donnée et une concentration en substrat dégradée (différence des quantités de DCO entrantes et sortantes ). Le volume des boues varie de 300 à 750 m3/j. En sachant cela et le temps de séjour des boues, nous pouvons facilement calculer le volume du réacteur. Ce volume varie entre 3000 et 15000 m3.
 
On remarque que le volume de réacteur augmente avec l'âge des boues et diminue avec la concentration en biomasse. Nous ne pouvons pas concrètement comparer ces valeurs de volumes avec des exemples réel car nous n'avons pas trouvé de station d'épuration aussi grosse pour un tel procédé. De plus, les volumes sont souvent partagés entre plusieurs cuves.
 
3.2. Calcul de la quantité d'oxygène à fournir au système
Pour faire un calcul simple de la quantité d'oxygène à fournir , il suffit de soustraire deux termes. Le premier correspond à la quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes lors de la fermentation. Le deuxième, à soustraire, correspond à l'apport d'oxygène par la production de la biomasse. Cela nous donne des quantités comprises entre 7,5 et 10 tonnes d'oxygène . Les besoins en oxygène sont d'autant plus grand que le temps de séjour des boues est grand car la matière organique est oxydée plutôt que convertie sous forme de biomasse.
 
 3.2. Calcul du nombre de modules membranaires
 
Il nous reste finalement à calculer le nombre de modules membranaires . Pour cela nous devons définir la surface filtrante de chaque module et la perméabilité des membranes. On peut ensuite choisir si l’installation fonctionne avec des rétro-lavages ou des périodes de relaxation. La littérature montre que le nombre de module augmente lorsque qu’il s’agit d’une installation utilisant la relaxation. Nous allons donc choisir des rétro-lavages pour notre installation.
 
Caractéristiques du rétro-lavage:
Il nous faut définir  pour le rétro-lavage, un temps d’application, une pression de fonctionnement et un temps de filtration entre deux rétro-lavage. Selon le document provenant des Techniques de l’Ingénieur [6], le temps de rétro-lavage varie entre 15 et 45 secondes. Nous fixons un temps de 30 min entre deux rétro-lavage et la pression appliquée sera de 1,5 bar.
 
 
Pour connaître le nombre de module utilisé, on fait le rapport du débit total de perméat produit dans  l’installation par le débit net produit par module en ajoutant un. Le débit total de perméat est facilement calculable en effectuant un bilan sur les flux de l’installation, sachant que nous avons le flux volumique entrant et le flux volumique de boues extrait. Pour calculer le débit net produit par module, nous utilisons [7] :
Avec,
Qpnet : débit net de produit par module
V: Volume filtré
VRL :Volume de rétro-lavage
t: Temps de filtration
tRL : Temps de rétro-lavage.
 
Le  volume filtré est fonction du flux brut de production, de la surface filtrante et du temps de filtration et le volume de rétro-lavage est fonction de la pression, de la surface filtrante, du temps de rétro-lavage et de la perméabilité des membranes.
 
Caractéristiques des modules membranaires:
D'après un article du magazine "L'école française de l'eau" [8], les membranes utilisées à Dubaï pour ce procédé sont fournies par NORIT X Flow, via la technologie Air LiftTM. Une documentation parlant de ces membranes indique qu'elles peuvent être utilisées pour des concentrations en biomasse supérieur à 15 g/L [9].
On définit la perméabilité comme la perméabilité des membranes à l’eau propre. Celle-ci sera de 150 L.h-1.m-2.bar-1 ; nous prenons cette valeur car elle est utilisée pour l’exemple d’un dimensionnement dans un document des Techniques de l’Ingénieur [6] et nous n'avons pas d'autres informations . Il faut aussi choisir une surface de membrane par module. Par défaut, nous la prendrons égale à 150 m2. Il faut enfin calculer le débit brut de production J. D'après les Techniques de l'Ingénieur, J est une fonction de X. Avec les quelques exemples donnés dans le document nous avons interpolé différents J pour différentes valeures de X.
 
Apres l'analyse numérique, nous trouvons que le nombre de module peut varier de 200 à 400 selon la concentration en biomasse et l'âge des boues.
 
 
 

4. Conclusion et choix de dimensionnement.


 
De nombreux scénarios de dimensionnement sont accessibles pour la construction d'un bioréacteur. Ces derniers sont souvent choisis en fonction de la taille de réacteur voulu, de son coût ou de son énergie consommée. Dans notre cas pour l'île de Palm Jumeirah, nous supposons que ni le coût ni l'énergie consommée ne sont pas des facteurs prédominants pour le choix du bioréacteur. Nous imaginons donc que Veolia Water a dimensionné le procédé de telle sorte que la production de boue soit la plus faible possible, que le volume soit également le plus petit possible. Nous fixons donc une concentration en biomasse forte. Ensuite, concernant l'âge des boues, il faut trouver un compromis vis-à-vis des quantités de boues rejetées et du volume du réacteur. Pour une différence de 5 jours, le  réacteur se voit changer de 1000 m3 son volume. Par contre, le volume des boues  change de moins de 50 m3. Nous préférons donc choisir un âge de boue faible.
 
Voici le tableau récapitulant les valeurs approchées des paramètres du dimensionnement final:
Tableau 3. Résultats pour le dimensionnement final . Source: Personelle
Le problème dans un tel dimensionnement est le surnombre d'hypothèse. En effet, nous avons recherché des valeurs dans de nombreux documents. Ces valeurs sont justes mais surement pas en accord avec le système réel à Dubaï. Cela nous donne quand même une idée de la dimension des installations et des sytèmes à construire.
 
 

5. Bibliographie


 
  • Dimensionnement du procédé Biosep®
 
1. Site de Veolia Environnement, Communiqué de presse datant du 15/01/2008 intitulé " Veolia Eau remporte deux contrats de traitement et de recyclage de l'eau à Dubaï, sur l'île de Palm Jumeirah et pour la tour de Burj Dubaï." Lien:http://www.veolia.com/fr/medias/communiques/Veolia-Eau-remporte-deux-contrats-de-traitement-et-de-recyclage-de-l-eau-a-Duba-sur-l-Ile-de-Palm-Jumeirah-et-pour-la-tour-Burj-Duba.htm.
2. Site de Veolia Eau, Rubrique Biosep, Lien: http://www.veoliawaterst.com/biosep/fr/.
3.Abdlerkader G., Traitement des eaux résiduaires, document issue des Techniques de l'Ingénieur, ref. C 5 220.
4. Site de Veolia Eau, Rubrique sur la station de Guethary,France, Lien: http://www.veoliaeaust.com/reference/4283.htm.
5. Jraou Mouna, Présentation Power Point, Traitement des eaux usées urbaines par Bioréacteurs à Membranes (BRM) , Diapositive 16, 2008/2009 , Lien: http://www.lapinsonniere.fr/3plus3/telechargement/ecole_tlemcen/Mounapdf.pdf.
6. Grasmick A., Cabassud C., Sperandio M., Wisniewski C., Bioréacteurs à membranes et traitement des eaux usées, document issue des Techniques de l'Ingénieur, ref. W 4 140.
7. Vincent N., Cabassud C., Babassud M., Durand-Bourlier L., Laine J-M., Method for regulating a membrane filtering installation, 2004, Lien: http://www.patent-de.com/20040909/EP1343575.html
8.L'école française de l'eau, Magazine n°10, Décembre 2007, page 42, Bioréacteur membranaires sophistiqué au Emirats Arabes Unis, Lien: http://www.eau-entreprises.org/fr/documents/EFE_n10.pdf
 
  • Description du procédé Biosep®

10. Thèse de Romuald Van Kaam publié en 2005 "BIOREACTEUR A MEMBRANES IMMERGEES POUR LE TRAITEMENT D’EAUX USEES DOMESTIQUES. INFLUENCE DES CONDITIONS DE FILTRATION ET DE L’HYDRODYNAMIQUE SUR LES PERFORMANCES DU PROCEDE"