Rôle des nanoparticules organiques dans le colmatage membranaire. Application au traitement d'eaux usées urbaines par bioréacteur à membranes

摘要

Le traitement des eaux usées urbaines constitue une phase importante de la gestion globale des ressources en eau. Le bioréacteur à membranes est une option de choix pour répondre à cette demande. Ce procédé de traitement présente plusieurs avantages par rapport aux procédés classiques à boues activées mais reste confronté à l’un des problèmes majeurs de la filtration membranaire : le colmatage de la membrane. De nombreuses études ont mises en évidence l’impact néfaste sur la filtration de composés contenus dans le liquide interstitiel des boues activées définis comme des colloïdes ou des composés solubles. Cependant dépendant des nombreuses conditions opératoires rencontrées dans les bioréacteurs à membranes, les résultats sont encore contradictoires. Ainsi une meilleure identification des composés problématiques et des mécanismes de colmatage est nécessaire afin de mieux optimiser les conditions opératoires et les opérations de maintenances. C’est pourquoi cette étude s’attache à identifier les principaux composés colmatants contenus dans la fraction non particulaire d’échantillons de boues activées réelles, à étudier la modification des dépôts de filtration induite par l’ajout de particules synthétiques submicroniques et à suivre la formation des dépôts in situ par mesure de différence de potentiel électrique transmembranaire. Les résultats soulignent l’important rôle dans le colmatage membranaire jouer par les biopolymères organiques, plus précisément la structure de type protéines des ces composés. Il a été montré que ces composés induisent des dépôts très résistants, réversibles et très compressibles. De plus, nous avons montré que l’ajout de particules submicroniques au sein de ces dépôts à pour principal impact de modifier la compressibilité de ces dépôts et d’augmenter la rétention indépendamment des interactions prenant lieu entre les particules et les matières organiques. Cette étude ouvre donc sur la possibilité de réduire les doses de composés chimiques utilisés pour limiter le colmatage en prenant en compte les effets de structuration des dépôts. De plus les résultats montrent, que pour des matrices organiques relativement simples, la possibilité de suivre la formation de dépôts colmatants par mesure de potentiel électrique. Cependant de plus amples expériences doivent être réalisées afin d’interpréter le signal électrique lors de la filtration de fluides biologiques complexes . --------------------------------------------------------------------------------------------------- Direct treatment of activated sludge in membrane bioreactor frequently results in low net fluxes and frequent maintenance operations. The water separation by membrane is largely determined by the quality of the activated sludge (AS) and by the mechanisms involved in fouling. Many research studies have focused on the understanding of fouling mechanisms and on the development of processes to reduce fouling in order to achieve a stable operation. This thesis investigates the role of fine “inert” particles (melamine and latex) on structuration of a fouling layer formed during membrane filtration of waters rich in natural organic matters (waste waters). Two cases were investigated: (i) the fine particles were mixed with AS supernatant and then filtered on a virgin microfiltration membrane. And secondly (ii) filtration was performed on a dynamic filter previously made of the fine particles. In order to characterise fouling layer properties during filtration a new experimental method was developed by measuring the electrical potential across the membrane as an in situ measurement. Results emphasized the important role in reversible fouling of macromolecular proteins present in the biopolymer of the water phase of the sludge. It was found that fouling layer induced by these macromolecules is highly compressible. Moreover results show that the addition of particles into biofluid diminishes the fouling layer compressibility and improve its removal by backwash. It was found that OM fouling resistance increase when latex particles are present whereas the resistances are lower when melamine is added. Thus even small interactions (small compared to classical adsorbent particles such as activated carbon) between particles and OM can improve the filterability of the biofluids. Results show that melamine particles are more prone to interact with organic matter than latex, and lead to less flux decline. However dynamic filter made of melamine leads to more flux decline and compressible organic matter layer but is easily removable. Add to this the measurement of electrical potential during fouling layer formation show, in simple case (filtration of fine particles alone), the possibility to characterise fouling layer properties in terms of surface charge and thickness. udKEYWORDS : Fouling, Membrane bioreactor; Wastewater, Dynamic membrane, Fouling layer structuring, Filtration potential, Size exclusion chromatography.ud