Les paramètres de contrôle du procédé MBR sont répartis en quatre catégories : paramètres du système de boues, paramètres de fonctionnement des membranes, paramètres de l’environnement biochimique et paramètres de retour et d’évacuation des boues. Chaque paramètre influe directement sur les performances du procédé et la qualité de l’effluent. Tout ajustement des paramètres doit respecter le principe de stabilité et de progression ; les modifications brusques sont strictement interdites. Les paramètres spécifiques sont les suivants :
I. Paramètres du système de boues
1. MLSS (Matières en suspension dans la liqueur mixte)
| Paramètre | Plage de contrôle | Importance | Principes et précautions de réglage |
|---|---|---|---|
| MLSS | 8 000 – 12 000 mg/L ; Pour la dénitrification/basse température : 10 000 – 12 000 mg/L ; Pour les eaux usées industrielles : peut être ajusté entre 12 000 et 15 000 mg/L. |
Elle représente la masse microbienne totale dans le bioréacteur ; un indicateur clé de l’efficacité des réactions biochimiques. La capacité élevée en MES (matières en suspension) du bioréacteur à membrane (MBR) est un atout majeur, améliorant l’efficacité de la dégradation et la résistance aux variations de charge. | Précautions: 1. Trop élevé : accélère l'encrassement de la membrane, augmentation rapide de la pression transmembranaire, augmentation de la consommation d'énergie. 2. Trop faible : capacité de dégradation insuffisante, dépassement des seuils de DCO et d'azote ammoniacal dans l'effluent. 3. Ajustement : contrôlé par le rejet des boues résiduaires. Si la concentration en MES est trop élevée, augmenter le rejet de boues ; si elle est trop faible, réduire le rejet de boues et augmenter le taux de recyclage des boues. |
2. SRT (Temps de rétention des boues)
| Paramètre | Plage de contrôle | Importance | Principes et précautions de réglage |
|---|---|---|---|
| SRT | 15 à 30 jours ; Pour une forte demande de dénitrification : 20 à 30 jours ; Pour les basses températures (<15 °C) : 25 à 30 jours |
Détermine la structure de la communauté microbienne. Les bactéries nitrifiantes ont un cycle de génération long (10 à 20 jours) et nécessitent un temps de rétention des boues (TRB) long pour être retenues, assurant ainsi l'élimination de l'azote ammoniacal. Influence également l'activité des boues et l'encrassement des membranes. | 1. Trop court : perte de bactéries nitrifiantes, dépassement de la concentration d'azote ammoniacal ; les boues sont très actives mais la concentration est difficile à maintenir. 2. Durée trop longue : vieillissement des boues, activité réduite, encrassement accéléré des membranes, augmentation de la DCO de l’effluent. 3. Réglage : contrôlé par le volume de boues résiduaires rejetées. SRT = Masse totale de boues dans le bioréacteur ÷ Volume journalier de boues résiduaires rejetées. |
| SV30 (Volume de boues après 30 min de décantation) | 80 % – 95 % (nettement supérieur aux procédés conventionnels en raison de la teneur élevée en MLSS) | Un indicateur rapide pour évaluer les performances et la concentration de la décantation des boues, aidant à ajuster le volume de rejet des boues et la concentration en MES. | 1. >95% : indique une concentration de boues excessivement élevée ou une mauvaise décantabilité des boues ; augmenter le rejet de boues. 2. <80% : indique une concentration de boues insuffisante ; réduire le rejet de boues et augmenter le taux de retour. 3. Remarque : le SV30 dans le MBR ne doit pas être jugé selon les normes de processus conventionnelles ; 80 % à 95 % est généralement normal. |
| SVI (Indice de volume de boues) | 80 – 150 mL/g (conforme aux procédés conventionnels) | Caractérise précisément la décantabilité et la compacité des boues ; aide à déterminer le foisonnement des boues, qui affecte indirectement le taux d'encrassement de la membrane. | 1. >150 mL/g : foisonnement des boues, flocs lâches, tendance à obstruer les pores de la membrane ; augmenter l'oxygène dissous, contrôler le rapport F/M, augmenter le débit des boues. 2. <80 mL/g : minéralisation ou vieillissement des boues, faible activité ; réduire le rejet de boues, ajouter des nutriments. 3. Surveiller régulièrement, au moins une fois par semaine. |
| Rapport F/M (aliments/micro-organismes) | 0.05 – 0.2 kg DBO₅/(kg MLVSS·d) (Inférieur aux procédés conventionnels) |
Ce rapport reflète l'offre et la demande de nutriments pour les micro-organismes. Un faible rapport F/M favorise la nitrification et la stabilisation des boues, et réduit l'encrassement des membranes. | 1. Trop élevé : les micro-organismes métabolisent vigoureusement, les flocs de boues se détachent, accélérant l'encrassement des membranes. 2. Trop faible : vieillissement des boues, activité réduite, efficacité de dégradation diminuée. 3. Réglage : ajuster par le débit d’entrée et la concentration en MES. Si le rapport F/M est trop élevé, augmenter la concentration en MES ou réduire le débit d’entrée. |
II. Paramètres de fonctionnement de la membrane
| Paramètre | Plage de contrôle | Importance | Principes et précautions de réglage |
|---|---|---|---|
| Flux membranaire | 15 – 25 L/(m²·h); MBR submergé : 15 – 20 L/(m²·h) ; MBR externe (à flux latéral) : 20 – 25 L/(m²·h) |
Le débit de perméat par unité de surface de membrane et par unité de temps ; un indicateur clé de l’efficacité du fonctionnement de la membrane, déterminant directement la capacité de traitement. | 1. Trop élevé : accélère fortement l'encrassement de la membrane, augmentation rapide de la TMP, risque d'endommagement de la membrane. 2. Trop faible : faible efficacité de traitement, gaspillage d'énergie. 3. Réglage : le réglage s’effectue en contrôlant la fréquence et le cycle marche/arrêt de la pompe d’aspiration en fonction des variations de la pression transmembranaire. Éviter les augmentations brusques de débit. |
| Pression transmembranaire (TMP) | Normal : <15 kPa ; Avertissement : 25 – 30 kPa ; Nettoyage chimique requis : >35 – 40 kPa ; Mise au rebut de la membrane (fin de vie) : >50 kPa |
Caractérise le degré d'encrassement de la membrane. Une pression transmembranaire (PTM) plus élevée indique un encrassement plus important et une plus grande résistance à la perméation de l'eau. | 1. La TMP atteint 15-25 kPa : améliorer le nettoyage en ligne (augmenter la fréquence, prolonger la durée). 2. La TMP atteint 25-35 kPa : procéder immédiatement au nettoyage chimique en ligne, interrompre la perméation. 3. TMP > 35 kPa : effectuer un nettoyage chimique hors ligne. 4. Surveiller quotidiennement, enregistrer toutes les heures. |
| Mode d'aspiration | Aspiration intermittente : 7 à 9 min en marche, 1 à 3 min d’arrêt ; Température basse/encrassement initial : 6 à 8 min de marche, 2 à 3 min d’arrêt |
Prévient l'accumulation de boues sur la surface de la membrane causée par l'aspiration continue, réduit l'encrassement de la membrane et prolonge sa durée de vie. | 1. Évitez strictement l'aspiration continue (sans interruption) ; cela aggrave rapidement l'encrassement, provoquant une augmentation soudaine de la pression transmembranaire. 2. La durée du cycle d'arrêt peut être ajustée en fonction de la pression transmembranaire (PTM) ; prolonger la durée d'arrêt si la PTM augmente rapidement. 3. La ponctualité doit être constante, en évitant les cycles irréguliers. |
| Aération par nettoyage de la membrane | 24 heures en continu ; Débit d'air de lavage : MBR immergé : 10 – 15 m³/(m²·h) ; MBR externe : pas d'aération par lavage (filtration sous pression) |
Génère des bulles qui agitent les fibres de la membrane, délogeant les boues de sa surface, empêchant ainsi leur adhésion et limitant l'encrassement. Fournit également une petite quantité d'oxygène pour maintenir l'activité des boues dans le réservoir de la membrane. | 1. L'aération par lavage ne doit pas être interrompue (une interruption de plus de 30 minutes peut entraîner une fixation et un compactage rapides des boues sur la surface de la membrane, provoquant un blocage). 2. Assurez une aération uniforme pour éviter un nettoyage insuffisant localisé. 3. Nettoyez régulièrement les tuyaux d'aération et les diffuseurs pour éviter les obstructions et assurer un flux d'air stable. |
| Paramètres de nettoyage des membranes | 1. Nettoyage en ligne : Concentration d'hypochlorite de sodium 500–1000 mg/L, concentration d'acide citrique 1 %–2 % ; Durée de nettoyage : 30–60 min chacune ; Fréquence : 1–2 fois/jour. 2. Nettoyage hors ligne : Concentration d'hypochlorite de sodium 2000–5000 mg/L, concentration d'acide citrique 2 %–3 % ; Durée de trempage : 12–24 heures. |
Élimine les dépôts organiques et inorganiques de la surface et des pores de la membrane, restaurant ainsi le flux membranaire et prolongeant sa durée de vie. | 1. Utilisation alternée d'hypochlorite de sodium (pour l'encrassement organique et biologique) et d'acide citrique (pour l'encrassement inorganique) lors du nettoyage en ligne. 2. Les concentrations des produits chimiques de nettoyage ne doivent pas être trop élevées afin d'éviter d'endommager les modules de membrane. 3. Le nettoyage hors ligne n'est effectué que lorsque le nettoyage en ligne ne permet pas de restaurer le flux. Rincer abondamment après le nettoyage hors ligne afin d'éviter tout résidu chimique. |
III. Paramètres de l'environnement biochimique
| Paramètre | Plage de contrôle | Importance | Principes et précautions de réglage |
|---|---|---|---|
| Oxygène dissous (OD) | Zone aérobie : 2.0 – 3.5 mg/L ; Pour une forte demande en nitrification/basse température : 3.0 – 4.0 mg/L ; Zone anoxique : <0.5 mg/L ; Zone anaérobie : <0.2 mg/L |
Un facteur essentiel influençant l'activité microbienne. Une concentration insuffisante d'oxygène dissous (OD) dans la zone aérobie inhibe la nitrification et l'absorption aérobie du phosphore. Une concentration excessive d'OD dans les zones anoxiques/anaérobies inhibe la dénitrification et la libération du phosphore. | 1. Réglage de l'oxygène dissous (OD) en zone aérobie : contrôle par le débit d'air du ventilateur d'aération. Augmenter le débit d'air si l'OD est trop faible ; le diminuer s'il est trop élevé. 2. Zones anoxiques/anaérobies : éviter strictement l'aération ; maintenir une intensité de mélange modérée pour éviter l'entraînement d'air provoquant une augmentation de l'oxygène dissous. 3. Surveiller quotidiennement, enregistrer toutes les 2 heures. |
| pH | Note globale : 6.5 – 8.0 ; Optimal pour la nitrification : 7.5 – 8.5 ; Optimal pour la dénitrification : 6.5 – 7.5 ; Zone anaérobie : 6.5 – 8.0 |
Affecte l'activité enzymatique microbienne. Un déséquilibre du pH inhibe directement le métabolisme microbien, entraînant une diminution de l'efficacité biochimique. | 1. pH < 6.5 : ajuster en ajoutant de la chaux ou du bicarbonate de sodium (préférer le bicarbonate de sodium pour son effet doux et non choquant). 2. pH > 8.5 : ajuster en ajoutant de l'acide sulfurique. 3. Évitez les fluctuations drastiques du pH (≤0.5 changement par heure) car elles peuvent inhiber l'activité microbienne. |
| Alcalinité | ≥100 mg/L (sous forme de CaCO₃); Pour une forte demande en nitrification : ≥ 150 mg/L |
La nitrification consomme une quantité importante d'alcalinité (7.14 mg d'alcalinité CaCO₃ par mg d'azote ammoniacal nitré). Une alcalinité insuffisante entraîne une baisse du pH, inhibant ainsi la nitrification. | 1. Alcalinité insuffisante : ajouter du bicarbonate de sodium. Éviter l’ajout de chaux (risque de formation de tartre et d’obstruction des modules de membrane). 2. Effectuer un suivi régulier, quotidien. Augmenter la fréquence du suivi pendant les périodes de nitrification active. |
| La température de l'eau | Optimum : 15 – 35 °C ; 10 – 15°C : l’efficacité du traitement diminue ; <10 °C : l’efficacité chute brutalement, la nitrification s’arrête quasiment. |
Elle affecte l'activité microbienne. Les basses températures ralentissent le métabolisme microbien, réduisant ainsi l'efficacité biochimique. | 1. Basse température (<15°C) : augmenter la MLSS à 10 000–12 000 mg/L, prolonger le SRT à 25-30 jours, augmenter l'OD de la zone aérobie à 3.0-4.0 mg/L, envisager un supplément de source de carbone. 2. Température élevée (>35°C) : augmenter l'aération, réduire les MLSS pour éviter le vieillissement des boues. 3. Assurez l'isolation du réservoir (hiver), évitez les fortes variations de température. |
| Rapport C/N (carbone/azote) | ≥4 (pour la dénitrification) ; Pour une demande élevée en dénitrification : ≥5 |
Les bactéries dénitrifiantes ont besoin d'une source de carbone suffisante (matière organique) pour mener à bien la dénitrification. Un apport insuffisant en carbone entraîne un excès d'azote total. | 1. Rapport C/N < 4 : ajouter une source de carbone externe (acétate de sodium, glucose) en amont de la zone anoxique. Privilégier l’acétate de sodium (taux d’utilisation élevé, absence de pollution secondaire). 2. Évitez un ajout excessif de carbone, car cela peut augmenter la DCO dans la zone aérobie et accélérer l'encrassement de la membrane. |
IV. Paramètres de retour et de rejet des boues
| Paramètre | Plage de contrôle | Importance | Principes et précautions de réglage |
|---|---|---|---|
| Taux de retour des boues (retour externe) | 100% - 200%; Pour la dénitrification/basse température : 150 % – 200 % ; Pour les eaux usées industrielles : peut être ajusté à 200 % – 300 % |
Il renvoie les boues retenues par le réservoir à membrane au bioréacteur, maintenant ainsi une concentration stable de MLSS dans le bioréacteur et complétant la masse microbienne totale. | 1. Trop faible : quantité insuffisante de MLSS dans le bioréacteur, efficacité de dégradation réduite. 2. Trop élevé : augmente la consommation d'énergie et peut transporter les nitrates du réservoir à membrane dans la zone anaérobie, inhibant la libération de phosphore. 3. Réglage : contrôlé par le débit de la pompe de retour. Ajuster progressivement en fonction des variations de la concentration en matières en suspension (MLSS), en évitant les ajustements brusques et importants. |
| Taux de retour interne (recyclage des nitrates) | 200% - 400%; Pour une forte demande de dénitrification : 400 % – 500 % |
Elle renvoie le liquide nitrifié (contenant du nitrate) de la zone aérobie à la zone anoxique, fournissant ainsi du nitrate aux bactéries dénitrifiantes et assurant l'élimination de l'azote. | 1. Trop bas : apport insuffisant de nitrate, dénitrification incomplète, dépassement de la concentration totale d'azote. 2. Trop élevé : augmente la consommation d'énergie et peut transporter l'oxygène de la zone aérobie vers la zone anoxique, inhibant ainsi la dénitrification. 3. Ajustement : ajuster en fonction de la concentration totale d’azote dans l’effluent. Augmenter le taux de retour interne si la concentration totale d’azote dépasse la limite. |
| Rejet de boues résiduaires | Débit continu à faible débit ; Volume de rejet : contrôlé par le SRT. Volume de rejet journalier = Masse totale de boues dans le bioréacteur ÷ SRT. |
Élimine les boues anciennes et les impuretés inorganiques du système, maintenant ainsi des concentrations stables de MES et de temps de rétention des solides (TRS). Élimine également les organismes accumulant le phosphore afin d'assurer son élimination. | 1. Évitez strictement les longues périodes sans rejet de boues : cela entraîne le vieillissement des boues, un encrassement accéléré des membranes et un dépassement potentiel du rapport phosphore total/azote total. 2. Évitez strictement les rejets importants et intermittents de boues : ils provoquent des fluctuations drastiques de MLSS, affectant l'efficacité biochimique et le fonctionnement de la membrane. 3. Point de rejet : fond du réservoir à membrane (où sont retenues les boues riches en phosphore). Après le rejet, contrôler la concentration en MES et ajuster le volume rejeté en conséquence. |
V. Résumé des principaux paramètres du contrôle
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Contrôle des boues : Maintenir une MLSS élevée (8 000 à 12 000 mg/L), un SRT long (15 à 30 jours), un SV30 et un SVI stables, et éviter le foisonnement ou le vieillissement des boues.
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Contrôle du système membranaire : Utiliser une aspiration intermittente (par exemple, 7 min en marche, 1 à 3 min d'arrêt), une aération de nettoyage 24 heures sur 24, surveiller strictement la TMP (objectif <15 kPa), effectuer un nettoyage régulier et prévenir l'encrassement de la membrane.
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Contrôle de l'environnement biochimique : Maintenir l'oxygène dissous aérobie à 2.0–3.5 mg/L, contrôler strictement l'oxygène dissous dans les zones anoxiques/anaérobies, le pH entre 6.5 et 8.0, l'alcalinité ≥100 mg/L et le rapport C/N ≥4.
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Contrôle du retour et du rejet des boues : Maintenir le taux de retour externe entre 100 % et 200 %, le taux de retour interne entre 200 % et 400 %, et évacuer les boues résiduaires en continu à faible débit pour maintenir l'équilibre du système.