Recycling of Reverse Osmosis Concentrates to the Membrane Bioreactor in the MBR-RO Process for Water Reuse: effect on mbr performances Recirculation des concentrats d’osmose inverse vers les bioréacteurs à membrane dans une filière couplée pour la réutilisation des eaux : étude des effets sur les performances

Abstract

Wastewater effluents can be treated by an integrated membrane system combining membrane bioreactor (MBR) and reverse osmosis (RO) for effective removal of micropollutants in the field of high-quality water reuse. However, discharging the RO concentrate waste stream directly into the natural environment could lead to serious problems due to the toxic components contained in the concentrates (micropollutants, salts, organic matter). A possible solution could be the recirculation of RO concentrate waste to the MBR. However, such an operation should be studied in detail since the recirculation of non-biodegradable organic matter or high concentrations of salts and micropollutants could directly or indirectly contribute to MBR membrane fouling and modification of the biodegradation activity. In this context, the work reported here focused on the recirculation of such concentrates in an MBR, paying specific attention to MBR membrane fouling. Lab-scale experiments were performed on a continuous MBR-RO treatment line with RO concentrate recirculation. The main goal was to determine the recovery of the RO unit and of the global process that maintained good process performance in terms of biodegradation and MBR fouling. The results demonstrate that the impact of the toxic flow on activated sludge depends on the recovery of the RO step but the same trends were observed regardless of the organic matter and salt contents of the concentrates: the concentration of proteins increased slightly. Size-exclusion high performance liquid chromatography (HPLC-SEC) was employed to study the effects of RO concentrate on the production of protein-like soluble microbial products (SMPs) and demonstrated a significant peak of protein-like substances corresponding to 10-100 kDa and 100-1 000 kDa molecules in the supernatant. Thus a significant increase in the propensity for sludge fouling was observed, which could be attributed to the increased quantity of protein-like substances. Finally, the effect of the concentrate on sludge activity was studied and no significant effect was observed on biodegradation, indicating that the return of the concentrate to the MBR could be a good alternative.

Keywords:

• Membrane bioreactor (MBR),
• concentrate,
• reverse osmosis,
• water reuse,
• MBR fouling

Résumé

Les effluents d’eaux usées peuvent être traités par un système membranaire intégré couplant un bioréacteur à membrane (BAM) et un procédé d’osmose inverse (OI) pour l’élimination de micropolluants dans le domaine de la production d’eaux de haute qualité en vue de les réutiliser. Cependant, le rejet des concentrats d’OI dans la nature pourrait causer de sérieux problèmes environnementaux en raison des composés toxiques qu’ils peuvent contenir (c.-à-d., micropolluants, sels, matières organiques). Afin de pallier ce problème, la recirculation des concentrats d’OI vers le BAM peut être envisagée. Il est cependant important d’étudier en profondeur une telle opération, puisque les composés contenus dans les concentrats (micropolluants, sels, matières organiques) peuvent avoir une influence directe ou indirecte sur le colmatage des membranes et l’activité biologique dans les BAM. Dans ce contexte, ce travail avait pour principal objet l’étude de cette recirculation en prenant en compte le phénomène de colmatage. À cet effet, des expériences ont été menées dans une filière couplant BAM et OI à l’échelle laboratoire et fonctionnant en mode continue. Le principal objectif était de déterminer le rendement de l’unité d’OI et du procédé global, ce qui indique le maintien de bonnes performances en termes de biodégradation et de colmatage. Les résultats montrent que l’impact des concentrats toxiques sur les boues dépend du rendement de l’étape d’OI. Les mêmes tendances ont été observées, quelle que soit la teneur des concentrats en matières organiques : une légère augmentation de la concentration en protéines est observée. La chromatographie liquide par perméation de gel à haute performance (HPLC-SEC) a été utilisée pour étudier les effets des concentrats d’OI sur la production de matières microbiennes solubles de types protéiques; en résulte une augmentation significative des pics correspondant aux substances protéiques de 10 à 100 kDa et de 100 à 1 000 kDa dans le surnageant. Par conséquent, une plus forte tendance au colmatage peut être observée et serait due à la présence élevée de protéines. Enfin, aucun effet sur l’activité biologique de la biomasse n’a été observé, ce qui indique que la recirculation des concentrats d’OI vers les BAM représente une bonne solution de rechange.

Mots-clés :

• Bioréacteur à membrane (BAM),
• concentrat,
• osmose inverse,
• réutilisation des eaux,
• colmatage du BAM