MBR vs MBBR : le « paradoxe MLSS » et son impact sur l'empreinte des stations d'épuration

Dans le secteur avancé du traitement des eaux usées, les bioréacteurs à membrane (MBR) et les réacteurs à biofilm à lit mobile (MBBR) sont deux des technologies les plus importantes. Cependant, lorsque les ingénieurs et les concepteurs comparent leurs paramètres fondamentaux, en particulier Matières en suspension de liqueurs mélangées (MLSS) – ils se heurtent souvent à un « paradoxe » contre-intuitif.

Les systèmes MBR fonctionnent généralement à des concentrations MLSS très élevées (8 000 à 12 000 mg/L), tandis que les systèmes MBBR semblent fonctionner à des concentrations beaucoup plus faibles dans la phase liquide.

Cet article décode pourquoi cette différence existe, explore le passage fondamental d'une croissance suspendue à une croissance attachée et utilise une analyse de 500 m ³ Étude de cas par jour pour démontrer comment ces différences biologiques ont un impact direct sur l'empreinte physique et l'aménagement d'une station d'épuration.

Partie 1 : Décoder la différence biologique (le « paradoxe MLSS »)

La cause fondamentale de la disparité MLSS réside dans la manière fondamentale dont ces deux technologies hébergent leur main-d’œuvre microbienne.

1. MBR : MLSS élevé grâce à la rétention physique

Le principe fondamental : « Seule l’eau sort, les boues restent. »

Les systèmes MBR utilisent des membranes avec des pores extrêmement petits (généralement autour de 0,04 µ m) pour la séparation solide-liquide. La membrane agit comme une barrière parfaite ; l'eau propre s'infiltre, mais les bactéries et les flocs de boues sont complètement retenus dans le bioréacteur.

Comme les boues ne peuvent pas s’échapper, les opérateurs peuvent « cultiver » des concentrations extrêmement élevées de boues activées.

• Analogie : Considérez un réservoir MBR comme un place bondée . Pour gérer une charge de travail plus élevée (polluants), les ingénieurs font entrer de force 3 à 4 fois plus de travailleurs (bactéries) qu’un système conventionnel ne pourrait en contenir.

2. MBBR : MLSS à faible liquidité grâce à une croissance attachée

Le principe fondamental : la main-d'œuvre est dans les « maisons » (médias), pas dans la rue (eau).

La technologie MBBR repose sur le Processus de croissance attaché . Les agents de traitement primaires sont des micro-organismes qui s'attachent aux surfaces protégées des supports en plastique suspendus (médias), formant ainsi un système robuste. biofilm .

Si vous mesurez les matières en suspension dans la phase liquide d'un réservoir MBBR, le MLSS est généralement faible (2 000 à 4 000 mg/L), semblable à celui des boues activées conventionnelles. Cependant, cela est trompeur. Le véritable pouvoir de traitement du système réside dans la biomasse fixée au média. Lorsque ce biofilm est pris en compte, le « Biomasse équivalente » d'un MBBR est très élevé, souvent comparable au MBR.

• Analogie : MBBR consiste à construire une haute densité logement pour les bactéries. L’eau dans les « rues » est relativement claire car la majeure partie de la population travaille dans ses « maisons ».

Résumé des différences biologiques

Ces approches distinctes dictent différentes orientations opérationnelles :

Partie 2 : De la biologie à l'empreinte (A 500 m ³ Étude de cas)

Comment ces différences biologiques se traduisent-elles dans la réalité physique ? Les résultats sont souvent surprenants.

Pour illustrer cela, nous avons simulé une conception comparative pour une station d'épuration municipale d'une capacité de 500 tonnes/jour (500 m ³ /d) .

1. Résultats de comparaison des calculs

Comme le montre le tableau ci-dessous, le volume civil total requis pour les deux systèmes diffère considérablement, principalement en raison de la nécessité de clarification.

2. Analyser les différences de mise en page

MBR : Mettre la plante dans une « boîte »

Le MBR atteint une compacité extrême en intégrant la séparation dans le réservoir biologique.

• Pas de clarificateur secondaire : Les clarificateurs traditionnels occupent une superficie importante. Le MBR « supprime » essentiellement toute cette étape du processus à l’aide de membranes.
• Le compromis : Même si les travaux de génie civil sont minimisés, le MBR nécessite des investissements importants dans des équipements électromécaniques, notamment des patins à membrane, des pompes de lavage à contre-courant complexes, des systèmes de nettoyage chimique (CIP) et des compresseurs d'air de grande puissance hébergés dans une grande salle d'équipement.

MBBR : un « cœur » puissant avec des « membres » conventionnels

MBBR utilise un réacteur biologique très efficace suivi d'une séparation traditionnelle.

• Réacteur efficace : Étant donné que le biofilm sur le support contient une grande quantité de biomasse active, l'efficacité d'élimination de la DBO est très élevée, ce qui donne un bioréacteur compact (seulement 60 m ³ dans cet exemple).
• La nécessité de s’installer : Le MBBR est un processus continu dans lequel le biofilm vieilli « élimine » naturellement le média dans l'eau. Par conséquent, l'effluent doit passer à travers un clarificateur à haute efficacité (tel qu'un tube Settler ou DAF) pour séparer ces solides ; sinon, l'effluent final ne répondra pas aux normes de rejet pour les matières en suspension.

Conclusion et guide de sélection

Le choix entre MBR et MBBR ne porte pas sur la technologie « meilleure », mais sur l’ensemble de compromis qui convient le mieux aux contraintes spécifiques du projet.

Choisissez MBR lorsque :

• L’espace est la contrainte première : Idéal pour les usines souterraines urbaines, les sous-sols d’hôtels ou les hôpitaux où les prix des terrains sont exorbitants.
• Une réutilisation de haute qualité est requise : L'effluent est ultra-filtré, avec des MES proches de zéro, ce qui le rend adapté à une réutilisation directe non potable.

Choisissez MBBR lorsque :

• La simplicité opérationnelle est primordiale : Le client préfère un système robuste qui ne nécessite pas de surveillance quotidienne de la pression transmembranaire ou des programmes de nettoyage des membranes.
• Il s'agit d'un projet de rénovation : Les médias peuvent souvent être simplement ajoutés aux réservoirs d'aération existants pour augmenter la capacité sans travaux de génie civil majeurs.
• La qualité de l'influent fluctue : La structure du biofilm rend le MBBR très résistant aux chocs, courants dans les applications industrielles.

FAQ : sélection et fonctionnement du MBR et du MBBR

1. Économie : quel système est le plus rentable ?

Cela dépend de la façon dont vous mesurez le coût (capital ou opérationnel) :

• CAPEX (coût initial) : MBBR est généralement moins cher. Les membranes MBR sont des produits de précision coûteux. Cependant, si les prix des terrains sont extrêmement élevés, les économies réalisées en matière de travaux de génie civil grâce au MBR pourraient compenser le coût de l'équipement.
• OPEX (coût de fonctionnement) : MBBR est nettement moins cher. Le MBR nécessite une consommation d’énergie élevée pour le récurage à l’air (pour garder les membranes propres) et les agents de nettoyage chimiques réguliers. Le MBBR a des besoins énergétiques inférieurs et aucun coût chimique pour l’étape biologique.

2. Durée de vie : à quelle fréquence dois-je remplacer les composants principaux ?

• Membranes MBR : Généralement 5 à 8 ans en fonction de la marque et de la qualité de l'eau. Le remplacement des membranes représente une dépense en capital importante.
• Médias MBBR : Généralement 15 à 20 ans . Le support en plastique HDPE est extrêmement durable et nécessite rarement un remplacement, seulement des « appoints » occasionnels en cas de perte.

3. Maintenance : Qu'est-ce qui est le plus difficile à utiliser ?

• MBR : Nécessite Opération qualifiée . Les opérateurs doivent surveiller la pression transmembranaire (TMP), gérer le lavage à contre-courant automatique et effectuer un nettoyage chimique en place (CIP) avec des acides/chlore. Si la membrane se bouche, la plante s'arrête.
• MBBR : Nécessite Faible entretien . C'est un processus d'autorégulation. L’entretien principal consiste à vérifier les grilles de rétention (pour garantir que les médias ne s’échappent pas) et le système d’aération. C'est beaucoup plus indulgent envers les erreurs de l'opérateur.

4. Prétraitement : Ai-je besoin de tamis fins ?

• MBR : OUI, critique. Vous avez besoin de tamis très fins (tambours de 1 mm à 2 mm) pour empêcher les cheveux et les débris d'endommager ou de boucher les membranes. Un mauvais prétraitement tue les MBR.
• MBBR : Norme. Des tamis standards grossiers ou moyens (3 mm - 6 mm) suffisent généralement, principalement pour éviter le colmatage des grilles de rétention.

5. Mise à niveau : Puis-je mettre à niveau mon réservoir existant ?

• MBBR : Excellent candidat. Vous pouvez souvent simplement déverser le média dans un réservoir d'aération existant (jusqu'à un taux de remplissage de 60 à 70 %) pour augmenter sa capacité de traitement sans construire de nouveaux réservoirs.
• MBR : Difficile. La conversion d'un réservoir standard en MBR nécessite généralement des modifications civiles importantes pour installer des patins à membrane et construire une nouvelle salle pour les pompes et les soufflantes.

6. Élimination de l’azote : quel est le meilleur ?

Les deux peuvent atteindre une élimination élevée de l'azote, mais MBBR est souvent privilégié pour la dénitrification spécialisée. La structure du biofilm permet la création de « couches anoxiques » profondément à l’intérieur du biofilm même dans un réservoir aéré (Nitrification et Dénitrification simultanées - SND), ce qui peut être très efficace.

7. Climat froid : comment se comportent-ils en hiver ?

• MBBR a tendance à être plus résistant à l’eau froide. Le biofilm constitue un « foyer protecteur » pour les bactéries, les rendant moins sensibles aux chutes de température que les boues en suspension.