Ce plus grand système MABR au monde changera votre compréhension du processus d'aération !
Actuellement, dans la plupart des stations d'épuration traditionnelles, la consommation d'énergie du processus d'aération représente plus de 50 % de la consommation totale d'énergie de l'usine, ce qui laisse un large potentiel d'économies d'énergie. En tant que technologie de traitement des eaux usées par membrane biologique qui utilise la transmission sélective de l'oxygène à travers des membranes pour fournir de l'oxygène et servir de support de biofilm, la technologie MABR peut réduire efficacement la consommation d'énergie du traitement des eaux usées, augmenter la charge des installations et améliorer l'élimination des nutriments azotés et phosphorés. Il présente des avantages techniques significatifs dans le traitement des eaux usées à forte demande en oxygène, des eaux usées composées de composés organiques volatils et des eaux usées à forte teneur en azote ammoniacal.
Station d'épuration d'Hespeler : le système MABR avec la plus grande surface de membrane au monde
Située à Cambridge, Ontario, Canada, la station d'épuration des eaux usées d'Hespeler est l'une des treize usines desservant la population de la région de Waterloo, qui compte plus de 600 000 personnes.
Construite à l'origine en 1973, l'usine a été modernisée en 1988 et 1992, mais ces améliorations se sont avérées insuffisantes pour répondre à la demande croissante de la population et aux exigences croissantes en matière d'efficacité du traitement des eaux usées. Le gouvernement régional de Waterloo a donc décidé de réviser le processus de traitement secondaire de l'usine Hespeler.
Station d'épuration des eaux usées d'Hespeler
En 2017 et 2018, le gouvernement régional a étudié le plan de conception, les performances à long terme et la faisabilité économique de l'installation de la technologie MABR, décidant finalement de mettre à niveau son système de boues activées aérobies vers un système de traitement combiné MABR/AO (anoxique-oxique). Lorsque le projet a été mis en service en 2021, il est devenu le plus grand système MABR au monde en termes de surface de membrane.
La décision de choisir la technologie MABR pour l'usine d'Hespeler s'est avérée très bénéfique.
1. Du point de vue des économies d’énergie :
En ce qui concerne la méthode originale de boues activées aérobies à Hespeler, cette section consommait 60 % de l'énergie totale, car l'oxygène était nécessaire à l'aération des microbulles. Lors de la mise à niveau, la consommation d'énergie biochimique de l'usine a été réduite de 40 %.
Dans une usine de traitement des eaux usées typique, la méthode d'aération conventionnelle utilise une soufflante ou une aération mécanique dans laquelle de l'air ou de l'oxygène pur est mécaniquement forcé dans les eaux usées. Bien que ces méthodes soient efficaces et faciles à contrôler, elles présentent de nombreux inconvénients : Le grand nombre de bulles d’aération produit une consommation d’énergie élevée, un coût opérationnel élevé et une faible efficacité de transfert d’oxygène.
Contrairement à la technologie MABR, la teneur en oxygène dans la membrane fibreuse dépend de la différence entre la teneur en oxygène à l'intérieur et à l'extérieur après le début de l'aération. Le matériau de la membrane dissout et diffuse l'oxygène sous forme de molécule unique afin qu'il puisse diffuser à travers la membrane. Par rapport aux méthodes d’aération conventionnelles, MABR présente plusieurs avantages :
Cependant, l'oxygène peut être directement délivré au biofilm, ce qui peut réduire considérablement la résistance au transfert d'oxygène via la phase liquide et couvrir une utilisation de l'oxygène de plus de 100 %. Avec les méthodes traditionnelles, l'efficacité du transfert d'oxygène n'atteint que 1,5 kg/(kW·h), alors qu'elle peut aller jusqu'à 6 kg/(kW·h).
◎ C'est un environnement stable pour la croissance et la reproduction microbienne. L'intensité de l'aération MABR est douce, ne produisant presque aucun dommage aux micro-organismes attachés aux fibres de la membrane, ce qui stabilise la croissance microbienne.
◎ Cette aération est sans bulles, empêchant les composants volatils d'être transportés dans l'air généralement par des bulles pour éviter une pollution secondaire. De plus, il supprime la génération de mousse due au métabolisme microbien.
◎ En ajustant facilement l'alimentation en oxygène, les déchets de gaz résultant de la demande minimale en oxygène pour la réaction sont évités.
2. Du point de vue de l’expansion des capacités :
La capacité de traitement initiale de l'usine d'Hespeler était de 6 600 m3/jour. Après la modernisation, la capacité de traitement est passée à 9 320 m3/jour, soit une augmentation de 40 %.
Les équipements MABR sont compacts, occupent peu d’espace et peuvent être installés directement dans les réservoirs existants. L'oxygène est transmis sélectivement à travers la membrane pour une aération sans bulles, avec une efficacité de transfert d'oxygène élevée. L'oxygène fourni est entièrement utilisé par le biofilm, ce qui entraîne une utilisation élevée de l'oxygène et une augmentation considérable de la biomasse du système, permettant ainsi une expansion de la capacité de l'usine sans expansion physique.
Les mises à niveau MABR peuvent augmenter la charge des usines de traitement des eaux usées existantes de 20 %-40 %, voire plus.
Le sens de transfert de l’oxygène dans le MABR est à contre-courant du sens de transfert de l’azote ammoniacal et de la matière organique. Les bactéries nitrifiantes forment une croissance dominante près de la surface de la membrane et sont protégées par le biofilm externe, ce qui non seulement augmente le taux de nitrification mais assure également la stabilité de la nitrification. Cet avantage est particulièrement évident en cas de charges de choc ou pendant les mois froids d'hiver.
Avant la mise à niveau, l'azote ammoniacal des effluents hivernaux (avec une température minimale de l'eau de 10 degrés) dépassait la norme de rejet de 5 mg/L ; après la valorisation, l'effluent répondait à la norme (limite de rejet hivernale < 5 mg/L, limite estivale < 2 mg/L).
De plus, l'installation de réacteurs MABR dans des réservoirs anaérobies ou anoxiques permet une nitrification et une dénitrification simultanées. Dans les mêmes conditions d'azote total de l'effluent, par rapport à d'autres procédés d'élimination de l'azote comme A2O, il réduit les taux de recirculation interne, améliorant ainsi l'efficacité de la dénitrification tout en économisant les sources de carbone et l'énergie.
Trois facteurs d'influence clés pour le réacteur à biofilm aéré par membrane (MABR)
1. Pression d'aération
Étant donné que la pression de fonctionnement du MABR doit rester inférieure au point de bulle de la membrane, nous obtenons une aération sans bulles.
◎ À une pression trop basse, il n'y aura pas suffisamment d'oxygène dissous dans le biofilm interne, ce qui affectera l'activité des bactéries aérobies nitrifiantes et hétérotrophes.
◎ À très haute pression, l'ensemble du biofilm sera aérobie, encourageant les bactéries dénitrifiantes anaérobies et autres anaérobies à ne pas se développer et à nuire au processus de dénitrification.
En fait, l'effet du traitement devrait être obtenu dans la pratique avec une intensité de qualité de l'eau appropriée en fonction de la qualité de l'eau spécifique.
2. Vitesse d'écoulement de l'eau
Au stade de la fixation microbienne, la vitesse d’écoulement excessive entravera la croissance et l’adhésion microbiennes. Par conséquent, le débit n’est pas trop élevé à ce stade.
Une fois le biofilm formé, une augmentation de la vitesse d’écoulement de l’eau diminue l’épaisseur de la couche limite liquide. À mesure que l'épaisseur du biofilm se stabilise pendant un fonctionnement stable, l'augmentation de la vitesse d'écoulement réduit l'épaisseur d'une couche limite de phase liquide et favorise le renouvellement du biofilm, ce qui réduit excessivement l'épaisseur du biofilm, augmentant ainsi l'efficacité du transfert d'oxygène et de polluant.
Selon la recherche, la vitesse d'écoulement des effluents est l'un des facteurs affectant la croissance microbienne et l'épaisseur du biofilm.
◎ Plus la couche limite est fine, en raison de la vitesse d’écoulement plus élevée et de l’épaisseur stable correspondante du biofilm.
◎ L'augmentation du taux de dégradation des polluants nécessite une diminution de la vitesse d'écoulement, un biofilm stable plus épais et un biofilm stable plus épais à une vitesse d'écoulement inférieure.
3. Rapport carbone, azote et phosphore dans les eaux usées
Un rapport C:N:P approprié favorise la croissance microbienne dans le biofilm MABR, facilitant ainsi la nitrification et la dénitrification simultanées dans le réacteur.
◎ En cas de faible rapport C:N, la concentration de carbone organique est insuffisante pour répondre à la demande en source de carbone pour la dénitrification, ce qui affecte l'efficacité totale de l'élimination de l'azote.
◎ Lorsque le rapport C:N est trop élevé, les bactéries hétérotrophes aérobies prolifèrent et consomment une grande quantité d'oxygène, réduisant ainsi la concentration en oxygène dissous et empêchant la nitrification.
Quatre scénarios d'application courants pour le réacteur à biofilm aéré par membrane (MABR)
- Traitement des eaux usées à haute teneur en azote ammoniacal
- Appareils intégrés pour le traitement des eaux usées domestiques rurales
- Restauration biologique des eaux fluviales urbaines
- Moderniser les usines de traitement des eaux usées pour de meilleures performances
En fait, ces dernières années, le MABR a été de plus en plus utilisé dans les usines de traitement des eaux usées du monde entier.
Par exemple, à l'usine de traitement des eaux usées de YBSD dans l'Illinois, aux États-Unis, 10 bioréacteurs aérobies d'origine ont été transformés en 2 réservoirs anaérobies, 2 réservoirs anoxiques MABR et 6 réservoirs aérobies, avec 12 modules MABR installés dans les réservoirs anoxiques. Cela a converti le processus aérobie précédent en un processus d'élimination de l'azote et du phosphore, atteignant ainsi l'objectif d'augmenter la capacité de traitement tout en améliorant l'élimination biologique de l'azote et du phosphore.
La période d'acclimatation du biofilm du système MABR n'était que de 3 semaines, et une fois le système de traitement des eaux usées pleinement opérationnel, la charge de DBO5 dans l'influent a augmenté à 0,60 kg/(m3·jour), soit une augmentation de 47 % par rapport à l'avant- niveaux de mise à niveau.
L'effluent final de l'usine répondait à toutes les attentes de conception, avec une DBO de l'effluent5<10 mg/L, total suspended solids (TSS) < 10 mg/L, NH3-N < 1.5 mg/L, and TP < 1.0 mg/L. The average oxygen transfer rate (OTR) and oxygen transfer efficiency (OTE) were 10.8 g/(m2·day) and 33.3%, respectively.
L'analyse de la population microbienne du biofilm a montré que les bactéries oxydant l'ammoniac (AOB) et les bactéries oxydant les nitrites (NOB) représentaient 40 % de la population microbienne, soit plus de quatre fois plus que dans les procédés conventionnels à boues activées.
De plus, comparé au procédé CAS pour une usine de même envergure (avec un coût d'investissement de 25 millions de dollars et un temps de construction de 2,5 ans), le procédé MABR avait un coût d'investissement de seulement 5 millions de dollars et un temps de construction de 1 an, réduisant considérablement les coûts et les délais de construction.