Les bioréacteurs à membrane (BaM) sont très utilisés dans le traitement des eaux usées municipales dû à une performance effective (>100 000 m3.j-1). Ce qui leurs confèrent une qualité d’effluent supérieure et constante. De plus, la baisse importante des coûts des membranes et d’exploitation ont contribué à une diffusion plus large de son utilisation, en dépit d’un marché économiquement faible. Le coût associé reste encore un sujet d’actualité et nécessite des travaux approfondis pour rendre les BaM moins coûteux en restant dans les plages d’abattements d’un processus classiques de traitement des boues activées (BAC). La modélisation, basée sur des modèles mathématiques, est un excellent outil pour l’optimisation des coûts d’exploitation associé aux stratégies de limitation du colmatage, en particulier l’aération de la membrane, qui est le principal facteur contribuant aux coûts énergétiques des BaM. Jusqu’ici le travail d’adaptation, calibration et validation d’un modèle intégré n’avait pas encore été mené sur une installation à grande échelle.
Le BaM met en jeu des interactions complexes entre la biologie, la filtration et le colmatage, ce qui rend sa modélisation délicate considérant ces interactions. Des modèles intégrés ont été élaborés et appliqués aux BaM, principalement à l’échelle pilote, mais rarement pour les installations à grande échelle de capacité allant jusqu’à 15 000 m3.j-1.
Dans ce présent travail, une usine intégrant un BaM à grande échelle avec une capacité de traitement de 348 000 m3.j-1 est modélisée dynamiquement pour simuler les processus de dépollution et de colmatage de la membrane. Le modèle intégré combine la biochimie (ASM3-SMP-EPS-Bio-P, aération et précipitation chimique), la résistance au colmatage en série (RIS) et les sous-modèles énergétiques. Le modèle intégré est capable de simuler a) les processus biologiques décrivant l’activité de la biomasse pour l’oxydation du carbone et l’élimination des éléments nutritifs (c.-à-d. l’azote et le phosphore) couplés aux processus de production et de dégradation des exo-polymères libres et liées; b) le rôle de l’aération pour le processus biologique dans l’oxydation et la nitrification du carbone sous l’influence des matières en suspension; c) le bilan matière sur les volumes des affluents, des effluents, des purges et de toutes les recirculations; d) l’ajout de coagulant pour l’élimination chimique améliorée du phosphore; e) la dynamique de colmatage associée à la filtration-relaxation, à l’aération intermittente et au rétro-lavage, prenant en compte la pression transmembranaire (TMP), la température, les MLSS et la concentration en exopolymères liés, et f) la consommation d’énergie spécifique. Le modèle a été calibré à l’aide de donnée recueillie au bout d’une première semaine de campagne expérimentale puis validé par des données issues de 92 jours de fonctionnement avec et sans ajout de FeCl3. De plus, une analyse de sensibilité a été réalisée avec l’objectif double de déterminer les paramètres influents pour faciliter la calibration des sous-modèles, et d’évaluer la robustesse du modèle.
Le modèle intégré calibré présente des résultats acceptables pour l’élimination des polluants (DCO, NOx, NH4, PO43-, MLSS, PMS et SEP), ainsi que la prédiction de la pression transmembranaire qui est un indicateur du colmatage. De plus le modèle a permis de compléter un ensemble de données obsolète à partir de relevé quotidien mais aussi de fournir des données détaillées sur la dynamique de colmatage réversible et irréversible, en tenant compte des différents moyens mis en œuvre pour les limiter.
Pour être utilisé par des régulateurs basés sur des modèles ou par des outils intelligents pour optimiser l'énergie d’aération et les produits chimiques, améliorant ainsi le fonctionnement d’un MBR à grande échelle tout en respectant les conditions de colmatage. Dans l’incapacité de tester les limites du modèle, une approche d'analyse de sensibilité a été initiée.
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Membrane bioreactors (MBRs) are successfully being adopted in super-large-scale (>100,000 m3.d-1) applications due to several advantages, mainly superior and consistent effluent quality. Moreover, the significant reduction in the membrane and operating costs has contributed to its wider acceptance. Despite their considerable evolution in the recent past and large-scale applications in municipal wastewater treatment, fouling and the cost associated with its mitigation are still hot topics and need the attention of researchers and academia to optimize the expense and reduce the expense of MBR in the range of the conventional activated sludge process (CASP). Mathematical modelling is a great tool to explore the model-based optimization of operating costs associated with fouling mitigation strategies. For this, a comprehensive and integrated process model is required to be adapted, calibrated, and validated at a super-large-scale facility.
MBR involves complex interactions between biology, and filtration, and its modeling is a challenging without considering these interactions. In the recent past, integrated models have been developed and applied to MBRs, mostly ranging from bench to pilot scales and rarely for full-scale facilities of capacities up to 15,000 m3.d-1 In this work, a super-large-scale MBR plant with a design capacity of 348,000 m3.d-1 is dynamically modeled to simulate the depollution and filtration-fouling processes.
The integrated model combined bio-chemical (ASM3-SMP-EPS-Bio-P, aeration, and chemical precipitation), resistance in series (RIS) fouling, and energy sub-models. The comprehensive integrated model is capable to simulate a) biological processes to describe the stoichio-kinetic activity of the biomass for carbon oxidation and nutrient removal (i.e. Nitrogen and Phosphorus) coupled with EPS-SMP production and degradation processes; b) the role of biological process aeration in carbon oxidation and nitrification under the influence of MLSS; c) the numerical balance of the volumes of the influent, effluent, sludge wastage and all internal and external recirculation; d) coagulant addition to induce chemically enhanced phosphorus removal (CEPR) in addition to enhanced biological phosphorus removal (EBPR); e) fouling dynamics associated with synchronized filtration-relaxation, intermittent air-scouring and backwashing under the influence of transmembrane pressure (TMP), temperature, MLSS, and bound EPS concentration, and f) specific energy consumption. The model was calibrated using one-week of data collected during the first experimental campaign and was then validated against 92 days of data from the plant with and without the addition of FeCl3.
The calibrated integrated model provided an acceptable correspondence for pollutants (COD, NOx, NH4, PO43-, MLSS, EPS, and SMPs) removal, as well as prediction of the TMP, which is a direct indicator for fouling development. The model successfully produced acceptable datasets which are not available from routine measurements, e.g., the evolution of the biomass and transformation of the pollutants in each of the reactors in series. Moreover, the model is able to provide detailed insights into the dynamics of reversible and irreversible fouling under the synchronized influence of multiple fouling abatement controls in place, including filtration -relaxation, intermittent air-scouring, and backwashing.
In order to be used for the development of model-based controls and intelligent decision-making tools to optimize the functioning of the full-scale MBRs, in particular the air-scouring and activation and de-activation of the chemical washes to save energy and chemicals, this model would have to be validated in fouling conditions. Since it was not possible to test the limits of the model, sensitivity analysis approach was investigated
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