Traitement des eaux usées domestiques à faible consommation énergétique par bioreacteur à membrane anaérobie à boues granulaires(G-ANMBR)
devant le jury composé de :
- Christelle GUIGUI, Professeur, TBI – INSA Toulouse – Rapporteur
- Pierre BUFFIERE, Professeur des Universités, DEEP – INSA Lyon – Rapporteur
- Philippe STEYER, Directeur de recherche, INRAE Narbonne – Examinateur
- Xavier LITRICO, Directeur Scientifique et de la Recherche, Groupe SUEZ – Examinateur
- Gaétan BLANDIN, Docteur, LEQUIA – Université de Gérone, Espagne – Invité
- Geffroy LESAGE, Maître de conférences, IEM – Université de Montpellier – Co-encadrant de thèse
- Marc HERAN, Professeur, IEM – Université de Montpellier – Directeur de thèse
Résumé :
Le bioréacteur à membrane anaérobie à biomasse granulaire (G-AnMBR) est un bioprocédé prometteur pour le traitement des eaux usées domestiques à énergie positive grâce à l’association entre le traitement biologique anaérobie, la biomasse granulaire et la séparation membranaire du type ultrafiltration. Si elle est bien exploitée, la synergie entre ces trois technologies permettrait la mise en place de systèmes de traitement non seulement efficaces, mais aussi autonomes en énergie, peu coûteux, nécessitant peu de maintenance et peu de ressources externes et permettant l’obtention d’une eau usée traitée potentiellement réutilisable. Néanmoins, l’applicabilité du G-AnMBR au traitement des eaux usées domestiques est freiné par la difficulté à atteindre un bilan énergétique positif (i.e. activité biologique moindre à température ambiante, perte de méthane dissous dans l’effluent de sortie, effluent dilué) et à appliquer des flux de filtration élevés en raison du colmatage membranaire. Ainsi, l’objectif globale de cette thèse est d’étudier une nouvelle configuration de G-AnMBR afin de (i) maximiser la conversion de la matière organique en méthane et de minimiser les consommations énergétiques.
Ce G-AnMBR intègre une digesteur anaérobie granulaire de type UASB, une membrane d’ultrafiltration immergée directement dans le lit de granule et ne dispose pas d’injection de biogaz pour la gestion du colmatage. Il s’agit de démontrer l’intérêt de ce procédé innovant, par rapport à un réacteur anaérobie classique (UASB), en termes de qualité d’effluent et de production d’énergie. L’étude a révélé la capacité du G-AnMBR à satisfaire de meilleures performances de traitement et à augmenter la proportion de matière organique transformée en méthane, résultant en un bilan énergétique positif de 0,58 kWh produit par m3 d’eau traitée.
Les phénomènes de colmatage ont été étudiés grâce au fractionnement par taille de la liqueur mixte associé à des tests de filtration. La fraction du surnageant (dp < 0,125 mm) a été identifiée comme jouant un rôle prépondérant dans le colmatage des G-AnMBR, contrairement aux granules (dp ≥ 0,125 mm) dont l’effet était négligeable. Les interactions entre les granules et les composés constituants le surnageant diminuent l’intensité et la vitesse du colmatage, démontrant l’intérêt d’utiliser la biomasse granulaire.
L’impact de l’intensification du procédé et des changements des conditions opératoires (flux, charge organique et temps de séjour) sur les performances de traitement, la production de biogaz et les coûts d’investissement et d’exploitations du G-AnMBR a été évalué. L’intensification du procédé est techniquement possible puisque de hauts rendements d’élimination de la DCO ont été atteints ( 90%) et 70-77% de la DCO a été convertie en méthane. Il a été démontré que le flux de filtration le plus économiquement intéressant était un flux intermédiaire (4,1 LMH). Il est question de ne pas sous-utiliser les membranes pour éviter le surinvestissement, mais de ne pas appliquer non plus des flux de perméation trop importants, auquel cas le colmatage membranaire entraîne des coûts supplémentaires excessifs (lavage chimique, énergie, maintenance, changement des membranes).
Ainsi, ces travaux de thèse ont mis en évidence le fort potentiel du G-AnMBR à membrane immergée et sans injection de biogaz pour le traitement des eaux usées domestiques à température ambiante et suggère une application en traitement décentralisé.
