Pourquoi les membranes MBR s'entartrent-elles facilement, nécessitant un nettoyage tous les deux mois, même lorsque le lavage à contre-courant en ligne est inefficace ?
La technologie MBR (Membrane Bioreactor) a été largement et avec succès appliquée dans le traitement des eaux usées. En remplaçant le décanteur secondaire, le MBR assure une qualité élevée de l'effluent et une concentration élevée de boues, réduisant ainsi de nombreux maux de tête opérationnels pour le personnel de traitement des eaux usées. Cependant, l'encrassement des membranes a toujours été un défi pour le développement et le fonctionnement des systèmes MBR. Alors, comment les opérateurs de MBR peuvent-ils identifier rapidement les causes de l'encrassement des membranes et les traiter efficacement pour réduire la fréquence de nettoyage ?
Définition de l'encrassement des membranes
L'encrassement des membranes fait généralement référence au processus au cours duquel des substances présentes dans la liqueur mixte s'accumulent et s'adsorbent à la surface de la membrane (à l'extérieur) et à l'intérieur des pores de la membrane (à l'intérieur). Cela entraîne un colmatage des pores, réduit la porosité, provoque une diminution du flux de la membrane et augmente la pression de filtration.
Dans les opérations de filtration membranaire, les molécules d'eau et les petites particules traversent continuellement la membrane, tandis que certaines substances sont retenues par la membrane, bloquant les pores ou se déposant à la surface de la membrane, entraînant un encrassement. Essentiellement, l'encrassement des membranes se produit à la suite de la filtration membranaire. La manifestation directe de l'encrassement des membranes est la diminution du flux de la membrane ou une augmentation de la pression de fonctionnement.
Les substances présentes dans la liqueur mixte de boues activées, telles que les nutriments, les flocs microbiens, les cellules microbiennes, les fragments cellulaires, les sous-produits métaboliques (EPS, SMP) et diverses substances dissoutes organiques et inorganiques, contribuent toutes à l'encrassement des membranes.
Stades de l'encrassement des membranes
L'encrassement des membranes se développe généralement en trois étapes (certaines classifications font référence à deux étapes) :
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Encrassement initial :Cela se produit aux premiers stades du fonctionnement du système membranaire. Les surfaces des membranes interagissent fortement avec les colloïdes, la matière organique, etc., dans la liqueur mixte, provoquant un encrassement par adhérence, effets de charge, colmatage des pores, etc. Dans des conditions de filtration à flux transversal, de petits flocs biologiques ou des polymères extracellulaires adhèrent encore à la surface de la membrane, tandis que les substances de taille inférieure à celle des pores de la membrane peuvent s'adsorber dans les pores. Par concentration, cristallisation et croissance, l'encrassement se produit.
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Encrassement lent :Initialement, la surface de la membrane est lisse et les grosses particules n'adhèrent pas facilement. Les principaux matériaux d'encrassement sont les EPS, les SMP et les colloïdes biologiques, qui s'adsorbent à la surface de la membrane et forment une couche gélatineuse. Cela augmente lentement la résistance à la filtration, améliorant la capacité de la membrane à retenir les polluants dans la liqueur mixte. L'encrassement par couche de gel est inévitable, entraînant une augmentation progressive de la résistance de la membrane. En fonctionnement à débit constant, cela apparaît comme une augmentation lente de la TMP (pression transmembranaire), tandis qu'en mode pression constante, cela se traduit par une lente diminution du flux.
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Encrassement rapide :La couche de gel formée au cours de la deuxième étape devient plus compacte sous l'effet continu de la pression de filtration et du flux de perméation, ce qui fait passer l'encrassement de graduel à drastique. De grandes quantités de flocs s'accumulent rapidement à la surface de la membrane, formant un gâteau de boue, et la pression transmembranaire augmente rapidement.
L'encrassement par couche de gel est inévitable et provoque une augmentation progressive de la résistance de la membrane. En fonctionnement à débit constant, cela se manifeste par une augmentation progressive de la TMP, tandis qu'en mode pression constante, cela se manifeste par une lente diminution du flux. Une fois que de grandes quantités de flocs de boues se déposent à la surface de la membrane, formant un gâteau de boue, le système ne peut plus fonctionner normalement.
L'objectif principal pendant le fonctionnement et la maintenance du MBR est de retarder l'encrassement de la couche de gel (en maintenant de bonnes conditions hydrauliques, un nettoyage in situ, en contrôlant le taux de développement de l'encrassement des membranes et en prolongeant la phase d'encrassement lent) et de contrôler l'encrassement du gâteau de boue (encrassement rapide).
Types d'encrassement des membranes
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Basé sur la composition des matériaux d'encrassement
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Encrassement organique :Cela provient principalement de substances organiques macromoléculaires (telles que les polysaccharides, les protéines), les acides humiques, les flocs microbiens et les fragments cellulaires dans la liqueur mixte. Bien que les produits microbiens solubles (SMP) et les substances polymériques extracellulaires (EPS) ne représentent qu'une petite partie des MLSS (matières en suspension dans la liqueur mixte), ils contribuent de manière significative à l'encrassement des membranes (26 % à 52 %). La croissance et l'adsorption des micro-organismes à l'intérieur des pores de la membrane et à la surface de la membrane jouent également un rôle important dans l'encrassement.
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Encrassement inorganique :Cela résulte de sels métalliques et d'ions inorganiques qui forment des ponts, tels que le calcium, le magnésium, le fer et la silice, entraînant un entartrage, en particulier le carbonate de calcium, le sulfate de calcium et l'hydroxyde de magnésium.
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Basé sur la nature de l'encrassement
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Encrassement réversible (encrassement temporaire) :Ce type d'encrassement peut être éliminé par certaines mesures hydrauliques, telles que le lavage à contre-courant avec de l'eau propre ou l'aération.
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Encrassement irréversible (encrassement permanent) :Cet encrassement ne peut pas être éliminé à l'aide de méthodes de nettoyage hydraulique et nécessite un nettoyage avec des produits chimiques tels que des oxydants, des acides, des bases ou des agents réducteurs.
L'encrassement réversible et irréversible peut être nettoyé, mais l'encrassement irréversible implique des dommages permanents aux performances de la membrane.
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Basé sur l'emplacement de l'encrassement
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Encrassement interne :Cela se produit lorsque des matériaux présents dans la liqueur mixte s'accumulent, se cristallisent et s'agrègent à l'intérieur des pores de la membrane.
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Encrassement externe :Cela se produit lorsque des matériaux s'agrègent et se déposent à la surface de la membrane.
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Facteurs affectant l'encrassement des membranes
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Propriétés de la liqueur mixte
La source des substances d'encrassement dans les systèmes MBR est la liqueur mixte de boues activées, qui possède des propriétés complexes affectant l'encrassement :
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EPS et SMP :Les EPS et les SMP sont des sous-produits métaboliques microbiens qui jouent un rôle essentiel et complexe dans l'encrassement. Un excès d'EPS augmente la viscosité de la liqueur mixte, ce qui rend la diffusion de l'oxygène difficile et affecte l'activité des flocs microbiens, ce qui entraîne une augmentation de la résistance à la filtration. Si les niveaux d'EPS sont trop bas, les flocs se décomposent, ce qui a un impact négatif sur le fonctionnement du MBR.
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Concentration de MLSS :La concentration de MLSS a un impact direct sur la viscosité de la liqueur mixte. À mesure que les MLSS augmentent, la viscosité augmente de façon exponentielle, ce qui réduit l'efficacité de la filtration. Si la vitesse de flux transversal ou l'intensité de l'aération sont insuffisantes pour éliminer les solides fixés à la surface de la membrane, un encrassement se produira.
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Viscosité :La viscosité de la liqueur mixte est influencée par les MLSS et a un effet direct sur la taille des bulles et la flexibilité de la membrane, ainsi que sur l'efficacité du transfert d'oxygène. Une viscosité plus élevée entraîne une tendance à l'encrassement plus élevée.
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Hydrophobicité des boues :Des études suggèrent que l'hydrophobicité des boues joue un rôle important dans l'encrassement des membranes. Une hydrophobicité élevée peut provoquer un encrassement sévère, en particulier lorsque l'excès de bactéries filamenteuses entraîne des formes de flocs irrégulières.
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Taille des particules de boues :Les particules plus petites, d'environ 2 microns, sont plus susceptibles de se déposer à la surface de la membrane, formant des couches denses et augmentant la résistance à la filtration.
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Vitesse de sédimentation des boues (ISV) :Bien que l'ISV n'affecte pas directement l'encrassement, il peut indiquer les caractéristiques de sédimentation des matières organiques dans la liqueur mixte. Les colloïdes et les matières organiques dissoutes sont les principaux contributeurs à l'encrassement.
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Conditions de fonctionnement du MBR
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Temps de rétention des boues (SRT) :L'augmentation du SRT peut réduire la production de SMP et d'EPS, réduisant ainsi l'encrassement. Cependant, un SRT excessivement long peut entraîner des concentrations de boues plus élevées, augmentant la viscosité et aggravant l'encrassement.
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Temps de rétention hydraulique (HRT) :Bien que le HRT n'affecte pas directement l'encrassement, un HRT plus court fournit plus de nutriments aux micro-organismes, ce qui entraîne une croissance microbienne plus rapide, ce qui peut augmenter le potentiel d'encrassement.
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Température et pH :Les basses températures provoquent un encrassement réversible, tandis que les températures élevées accélèrent l'encrassement irréversible. Le MBR fonctionne généralement dans une plage de pH de 6 à 9 ; des valeurs de pH extrêmes peuvent inhiber les bactéries nitrifiantes, ce qui entraîne une augmentation de l'encrassement.
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Oxygène dissous (DO) :De faibles niveaux de DO augmentent l'hydrophobicité des cellules microbiennes, provoquant la dégradation des flocs de boues. Lorsque les niveaux de DO tombent en dessous de 1 mg/L, les niveaux de SMP augmentent fortement, exacerbant l'encrassement.
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Flux de la membrane :L'augmentation du flux augmente le potentiel d'encrassement dans tous les procédés membranaires. L'équilibre entre le flux, la surface de la membrane et les intervalles de lavage à contre-courant/de nettoyage chimique est essentiel pour minimiser l'encrassement.
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Propriétés de la membrane et structure du module membranaire
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Taille des pores :Les membranes à pores plus petits ont tendance à retenir plus de contaminants, créant des couches d'encrassement plus denses, qui sont plus difficiles à éliminer. Les membranes à pores plus grands peuvent avoir un blocage initial plus élevé, mais forment des membranes dynamiques qui peuvent améliorer les performances de filtration au fil du temps.
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Matériau de la membrane :Les membranes hydrophobes, telles que le PVDF, ont tendance à être plus sujettes à l'encrassement. Les membranes céramiques, en revanche, sont plus résistantes à l'encrassement et présentent des avantages en termes de stabilité chimique et de résistance.
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Rugosité de la surface :La rugosité de la surface de la membrane augmente sa capacité à adsorber les contaminants, mais introduit également une certaine flexibilité, réduisant la probabilité que les contaminants collent de façon permanente.
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Hydrophobicité vs. Hydrophilie :Les membranes fabriquées à partir de matériaux hydrophiles ont généralement une meilleure résistance à l'encrassement.
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Mesures de contrôle de l'encrassement des membranes
L'encrassement est principalement influencé par les propriétés inhérentes de la membrane, les caractéristiques de la liqueur mixte et les conditions de fonctionnement. Par conséquent, le contrôle de l'encrassement doit se concentrer sur ces trois aspects :
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Propriétés de la membrane :Choisissez des membranes avec une meilleure hydrophilie, une rugosité de surface et une taille de pores appropriée pour améliorer la résistance à l'encrassement. Les membranes céramiques sont souvent un bon choix en raison de leur résistance et de leur stabilité chimique.
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Propriétés de la liqueur mixte :Contrôlez la concentration de MLSS et la viscosité, ainsi que la composition des matières organiques et inorganiques, pour réduire l'encrassement. Les étapes de prétraitement comme la filtration peuvent éliminer les particules plus grosses et empêcher le colmatage.
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Environnement d'exploitation du système :Utilisez des flux appropriés pour rester dans les valeurs sous-critiques pour