État actuel des connaissances des procédés de bioréacteur à membrane pour le traitement et la réutilisation des eaux usées industrielles et urbaines State-of-the-art review of the membrane bioreactor processes for urban and industrial wastewater treatment and reuse

Résumé

Les effluents issus des stations d’épuration des eaux usées industrielles et municipales contiennent des quantités non négligeables de polluants organiques, inorganiques et microbiens, qui sont rejetés dans l’environnement par voie directe, ou en suivant la filière de réutilisation (irrigation ou arrosage, etc.). Ces eaux résiduaires constituent l’une des principales sources de contamination des eaux de surface et souterraines (augmentation de la demande chimique en oxygène (DCO), coloration et eutrophisation des cours d’eau, etc.). Dans l’optique de palier le déficit croissant des ressources en eau destinées à la consommation humaine, ces eaux résiduaires sont de plus en plus soumises à des traitements poussés en vue d’une réutilisation. Cette réutilisation doit toujours être réalisée dans l’objectif de fournir une eau présentant, en continu, une qualité spécifique liée à l’usage attendu (eau de production, eau de lavage, eau de refroidissement, eau d’irrigation ou d’arrosage, etc.). Les procédés conventionnels peuvent s’avérer non adaptés, notamment par leur manque de fiabilité dans la qualité des eaux traitées et le risque encouru de contamination microbiologique. Pour faire face à cette importante problématique, les techniques membranaires, notamment les bioréacteurs à membrane (BRM), peuvent constituer une avenue potentielle de traitement et de réutilisation de ces effluents. L’intérêt de ces procédés réside dans leur aspect non polluant, leur facilité d’automatisation et leur capacité à éliminer simultanément les différents polluants en une seule étape de traitement. Ces technologies offrent la possibilité de clarifier et de désinfecter simultanément les eaux sans risque de formation de composés organo-halogénés. Dans cet article, les BRM sont situés par rapport aux techniques conventionnelles de traitement biologique d’effluents. Par la suite, un accent particulier est mis sur la présentation des connaissances actuelles concernant les principes de base des BRM, les critères d’application et les conditions d’opération qui influencent les performances de ces technologies. Les développements récents portant sur la modélisation mathématique de fonctionnement et de colmatage de ces modules sont également présentés. Finalement, les applications industrielles et les coûts d’implantation et d’opération de ces technologies sont brièvement discutés.

Mots-clés :

• Bioréacteur à membrane,
• biotraitement,
• membrane immergée,
• colmatage,
• polluant organique réfractaire,
• désinfection,
• polluant inorganique,
• eaux usées

Abstract

Effluents from urban and industrial wastewater treatment plants contain organic (e.g., COD, BOD, total suspended solids, endocrine disrupting compounds), inorganic (e.g., phosphorus, ammonia nitrogen, nitrites and nitrates, metals) and microbial pollutants (e.g., bacteria, viruses, parasites), which are either directly discharged into the environment or reused for agricultural purposes. These wastewaters are often responsible for pollution of surface and groundwater (increasing the COD, colour and eutrophication of water, for example). In the context of finding solutions for water shortages, wastewaters are more and more frequently subjected to tertiary treatment for water reuse. The treatment of wastewater for reuse must yield water that meets specific quality criteria and is adapted to be reused as washing water, cooling water, process water, irrigation water or sprinkling water, among other uses. Conventional processes can be inappropriate, notably because of their inability to provide a consistently good quality of treated-water and because of the associated risk of microbial contamination. An alternate method can be the application of membrane bioreactors (MBR) for wastewater treatment and reuse. MBR are characterized by ease of operation, ease of automation, negligible equipment requirements for adding chemicals and their capacity to remove simultaneously organic, inorganic and microbial pollutants in the same reactor. This technology offers the possibility to simultaneously clarify and disinfect wastewaters without any risk of forming organochlorinated compounds. In this paper, MBR are first compared to conventional biological treatments, followed by a particular emphasis on the present state of knowledge about MBR, criteria of application and operating conditions that greatly influence the performance of these technologies. Recent developments in the modelling of the operating process and membrane fouling are also presented. Finally, industrial applications and operating and implementation costs are briefly discussed.

Keywords:

• Membrane bioreactor,
• biotreatment,
• immersed membrane,
• fouling,
• refractory organic pollutant,
• disinfection,
• inorganic pollutant,
• wastewater